Richard Newrock, profesor fizyki na Uniwersytecie Cincinnati, studiował fizykę materiałów nadprzewodzących od 20 lat.Oto jego wyjaśnienie.
złącze Josephsona powstaje poprzez umieszczenie cienkiej warstwy materiału nieprzewodzącego między dwiema warstwami materiału nadprzewodzącego. Urządzenia zostały nazwane na cześć Briana Josephsona, który przewidział w 1962 roku, że pary nadprzewodzących elektronów mogą”tunelować” przez nieprzewodzącą barierę z jednego nadprzewodnika do drugiego. Przewidywał również dokładną formę relacji prądowo-napięciowych dla węzła. Prace eksperymentalne dowiodły, że miał rację, a Josephson otrzymał za swoje prace Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1973 roku.
aby zrozumieć unikalne i ważne cechy połączeń Josephsona, należy najpierw zrozumieć podstawowe pojęcia i cechy nadprzewodnictwa. Jeśli schłodzisz wiele metali i stopów do bardzo niskich temperatur (w granicach 20 stopni lub mniej od zera bezwzględnego), następuje fazowanie. W tej „krytycznej temperaturze” metal przechodzi od stanu normalnego, w którym ma opór elektryczny, do stanu nadprzewodzącego, w którym zasadniczo nie ma oporu na przepływ prądu elektrycznego. Nowsze urządzenia wysokotemperaturowe, które są wykonane z materiałów ceramicznych, wykazują takie samo zachowanie, ale w cieplejszych temperaturach.
dzieje się tak, że elektrony w metalu zostają sparowane. Powyżej temperatury krytycznej oddziaływanie sieci między dwoma elektronami jest odpychające. Jednak poniżej krytycznej temperatury ogólna interakcja między dwoma elektronami staje się bardzo nieznacznie atrakcyjna, co wynika z interakcji elektronów z siecią jonową metalu.
to bardzo niewielkie przyciąganie pozwala im zejść do niższego stanu energetycznego, otwierając lukę energetyczną.”Ze względu na lukę energetyczną i niższy stan energetyczny elektrony mogą się poruszać (a zatem prąd może płynąć)bez rozpraszania przez jony sieci. Gdy jony rozpraszają elektrony, powoduje opór elektryczny w metalach. Nie ma oporu elektrycznego w nadprzewodniku, a zatem nie ma energii. Istnieje jednak maksymalny nadprąd, który może płynąć, zwany prądem krytycznym. Powyżej tego krytycznego prądu materiał jest normalny. Istnieje jeszcze jedna bardzo ważna właściwość: gdy metal przechodzi w stan nadprzewodzący, wyrzuca wszystkie pola magnetyczne, o ile pola magnetyczne nie są zbyt duże.
w złączu Josephsona nieprzewodnikowa bariera oddzielająca dwa nadprzewodniki musi być bardzo cienka. Jeśli barrierjest izolatorem, musi być rzędu 30 angstromów grubości lub mniej. Jeśli bariera jest innym metalem (nieprzewodzącym), może mieć tyle samo grubości co kilka mikronów. Dopóki prąd krytyczny nie zostanie osiągnięty, superprąd może przepływać przez barierę; pary elektronów mogą tunelować przez barierę bez jakiegokolwiek oporu. Ale gdy krytyczny prąd zostanie przekroczony, kolejne napięcie rozwinie się w całym złączu. To napięcie będzie zależeć od czasu-to znaczy, że jest to napięcie prądu przemiennego. To z kolei powoduje obniżenie krytycznego prądu złącza, powodując przepływ jeszcze bardziej normalnego prądu-i większe napięcie AC.
częstotliwość tego napięcia AC wynosi prawie 500 gigaherców (GHz) na milivolt przez złącze. Tak więc, dopóki prąd przez złącze jest mniejszy niż prąd krytyczny, napięcie wynosi zero. Gdy tylko prąd przekroczy prąd krytyczny, napięcie nie jest zerobut oscyluje w czasie. Wykrywanie i mierzenie zmiany z jednego stanu do drugiego jest sercem wielu zastosowań Josephsonjunctions.
układy elektroniczne mogą być budowane z układów Josephsona, zwłaszcza układów logiki cyfrowej. Wielu badaczy pracuje nad budową komputerów z wykorzystaniem logiki Josephsona. Złącza Josephsona można również przekształcić w obwody zwane kalmarami-akronim nadprzewodzącego urządzenia interferencyjnego. Urządzenia te są niezwykle czułe i bardzo przydatne w konstruowaniu niezwykle czułych magnetometrów i woltomierzy. Na przykład, można zrobić woltomierz, który może mierzyć pikowowolty. To około 1000 razy bardziej czułe niż inne dostępne mierniki.
SQUID składa się z pętli z dwoma węzłami Josephsona przerywającymi pętlę. ASQUID jest niezwykle wrażliwy na całkowitą ilość pola magnetycznego, które przenika przez obszar pętli. napięcie, które mierzysz przez urządzenie jest bardzo silnie skorelowane z całkowitym polem magnetycznym wokół pętli.
kalmary są wykorzystywane do badań w różnych dziedzinach. Ponieważ mózg działa elektrycznie, można, wyczuwając pola magnetyczne wytworzone przez prądy neurologiczne, monitorować aktywność mózgu — lub serca. Do badań geologicznych można również użyć magnetometru SQUID, wykrywającego pozostałości dawnych zmian geofizycznych w ziemskim polu.
podobnie zmiany w polu magnetycznym otoczenia są tworzone przez okręty podwodne przepływające pod powierzchnią oceanu, a Marynarka Wojenna Stanów Zjednoczonych jest bardzo zainteresowana kałamarnicami do wykrywania okrętów podwodnych. Kalmary znajdują również duże zastosowanie w laboratorium badawczym w specjalnie zaprojektowanych woltomierzach, w magnetometrach i susceptometrach oraz w skaningowych mikroskopach kalmarów. W tym ostatnim instrumencie kałamarnica jest skanowana przez powierzchnię próbki, a zmiany magnetyzmu na powierzchni próbki wytwarzają obraz.
