Richard Newrock, profesor de fizică la Universitatea din Cincinnati, a studiat fizica materialelor superconductoare timp de 20 de ani.Iată explicația lui.
o joncțiune Josephson este realizată prin intercalarea unui strat subțire dintr-un material nesupraconductor între două straturi de material supraconductor. Dispozitivele sunt numite după Brian Josephson, care a prezis în 1962 că perechi de electroni supraconductori ar putea”tunela” chiar prin bariera non-conductoare de la un superconductor la altul. El a prezis, de asemenea, forma exactă a curentului șirelații de tensiune pentru joncțiune. Munca experimentală a dovedit că avea dreptate, iar Josephson a primit Premiul Nobel pentru Fizică din 1973 pentru ellucru.
pentru a înțelege caracteristicile unice și importante ale joncțiunilor Josephson, este mai întâi necesar să înțelegem conceptele de bază șicaracteristicile superconductivității. Dacă răciți multe metale și aliaje la temperaturi foarte scăzute (la 20 de grade sau mai puțin de zero absolut), apare o fazătranziție. La această „temperatură critică”, metalul trece de la ceea ce este cunoscut sub numele de starea normală, unde are rezistență electrică, la starea supraconductoare, unde în esență nu există rezistență la fluxul de curent electric direct. Cele mai noi supraconductoare de înaltă temperatură, care sunt fabricate din materiale ceramice, prezintă același comportament, dar la temperaturi mai calde.
ceea ce se întâmplă este că electronii din metal devin împerecheați. Deasupra temperaturii critice, interacțiunea netă dintre doi electroni este respingătoare. Sub temperatura critică, totuși, interacțiunea generală dintre doi electroni devine foarte puțin atractivă, rezultat al interacțiunii electronilor cu rețeaua teionică a metalului.
această atracție foarte ușoară le permite să cadă într-o stare de energie mai mică, deschizând un „decalaj energetic”.”Din cauzadiferența energetică și starea de energie mai mică, electronii se pot mișca (și, prin urmare, curentul poate curge) fără a fi împrăștiați de ionii rețelei. Când ionii împrăștie electroni, provoacă rezistență electrică în metale. Nu există rezistență electrică într-un superconductor și, prin urmare, nici o pierdere de energie. Există, totuși, un supercurent maxim care poate curge, numit curent critic. Deasupra acestui curent critic materialul este normal. Există o altă proprietate foarte importantă: atunci când un metal intră în starea superconductoare, expulzează toate câmpurile magnetice, atâta timp cât câmpurile magnetice nu sunt prea mari.
într-o joncțiune Josephson, bariera care separă cele două supraconductoare trebuie să fie foarte subțire. Dacă barieraeste un izolator, trebuie să fie de ordinul a 30 de angstromi groși sau mai puțin. Dacă bariera este un alt metal (nesupraconductor), poate fi la fel de mult ca șimai multe microni grosime. Până la atingerea unui curent critic, un supercurent poate curge peste barieră; perechile de electroni se pot tunela peste barieră fără nicio rezistență. Dar când curentul critic este depășit, o altă tensiune se va dezvolta peste joncțiune. Această tensiune va depinde detimp-adică este o tensiune AC. Aceasta, la rândul său, determină o scădere a curentului critic al joncțiunii, determinând curgerea unui curent și mai normal-și o tensiune AC mai mare.
frecvența acestei tensiuni de curent alternativ este de aproape 500 gigahertzi (GHz) pe milivolt peste joncțiune. Deci, atâta timp cât curentulprin joncțiune este mai mică decât curentul critic, tensiunea este zero. De îndată ce curentul depășește curentul critic, tensiunea nu este zerodar oscilează în timp. Detectarea și măsurarea schimbării de la o stare la alta se află în centrul numeroaselor aplicații pentru Josephsonjunctions.
circuitele electronice pot fi construite din joncțiunile Josephson, în special circuitele logice digitale. Mulți cercetători lucrează la construcțiecalculatoare ultrafaste folosind logica Josephson. Joncțiunile Josephson pot fi, de asemenea, modelate în circuite numite Calamari-un acronim pentru Dispozitiv de interferență superconductingquantum. Aceste dispozitive sunt extrem de sensibile și foarte utile în construirea de magnetometre și voltmetre extrem de sensibile. De exemplu, se poate face un voltmetru care poate măsura picovolții. Aceasta este de aproximativ 1.000 de ori mai sensibilă decât alte valori disponibile.
un calmar constă dintr-o buclă cu două joncțiuni Josephson care întrerup bucla. ASQUID este extrem de sensibil la cantitatea totală de câmp magnetic care pătrunde în zona buclei–tensiunea pe care o măsurați de-a lungul dispozitivului este foarte puternic corelată cu câmpul magnetic total din jurul buclei.
calmarii sunt folosiți pentru cercetare într-o varietate de domenii. Deoarece creierul funcționează electric, prin detectarea câmpurilor magnetice create de curenții neurologici, se poate monitoriza activitatea creierului-sau a inimii. De asemenea, puteți utiliza un magnetometru de calmar pentru cercetarea geologică, detectând rămășițele schimbărilor geofizice din trecut ale câmpului pământuluiroci.
în mod similar, schimbările în câmpul magnetic ambiental sunt create de submarinele care trec sub suprafața oceanului, iar Marina SUA este foarte interesată de calmari pentru detectarea submarinelor. SQUIDs sunt, de asemenea, de o utilizare considerabilă în laboratorul de cercetare în special proiectatevoltmetre, în magnetometre și susceptometre și în microscoape de scanare SQUID. În acest ultim instrument, un calmar este scanat de-a lungul suprafeței unui eșantion, iar modificările magnetismului la suprafața eșantionului produc o imagine.
