Richard Newrock, professor i fysik vid University of Cincinnati, har studerat fysiken i superledande material i 20 år.Här är hans förklaring.
en Josephson-korsning görs genom att sandwiching ett tunt lager av ett icke-superledande material mellan två lager av superledande material. Enheterna är uppkallade efter Brian Josephson, som förutspådde 1962 att par av superledande elektroner kunde”tunnel” rakt igenom den icke-superledande barriären från en superledare till en annan. Han förutspådde också den exakta formen av strömmen ochspänningsförhållanden för korsningen. Experimentellt arbete visade att han hade rätt, och Josephson tilldelades Nobelpriset i fysik 1973 för hansarbete.
för att förstå de unika och viktiga egenskaperna hos Josephson-korsningar är det först nödvändigt att förstå de grundläggande begreppen ochfunktioner av superledning. Om du kyler många metaller och legeringar till mycket låga temperaturer (inom 20 grader eller mindre av absolut noll) uppstår en fasövergång. Vid denna” kritiska temperatur ” går metallen från det som kallas det normala tillståndet, där det har elektriskt motstånd, tillöverledande tillstånd, där det i huvudsak inte finns något motstånd mot flödet av likström. De nyare högtemperatursuperledare, som är gjorda av keramiska material, uppvisar samma beteende men vid varmare temperaturer.
vad som händer är attelektroner i metallen blir Parade. Över den kritiska temperaturen är nettointeraktionen mellan två elektroner repulsiv. Under den kritiskatemperaturen blir emellertid den övergripande interaktionen mellan två elektroner mycket lite attraktiv, ett resultat av elektronernas interaktion med tejonisk gitter av metallen.
denna mycket lilla attraktion gör att de kan falla i ett lägre energitillstånd och öppna ett energi ” gap.”På grund avenergigapet och det lägre energitillståndet kan elektroner röra sig (och därför kan strömmen strömma) utan att spridas av gitterets joner. Närjonerna sprider elektroner, orsakar det elektriskt motstånd i metaller. Det finns inget elektriskt motstånd i en superledare, och därför ingen energyloss. Det finns dock en maximal superström som kan flöda, kallad kritisk ström. Över denna kritiska ström är materialet normalt. Det finns en annan mycket viktig egenskap: när en metall går in i superledande tillstånd, utvisar den alla magnetfält, så länge magnetfältenär inte för stora.
i en Josephson-korsning måste den icke-superledande barriären som skiljer de två superledarna vara mycket tunn. Om barriärenär en isolator, måste den vara i storleksordningen 30 Ångström tjock eller mindre. Om barriären är en annan metall (icke-superledande) kan den vara lika mycket somflera mikron tjocka. Tills en kritisk ström uppnås kan en superström strömma över barriären; elektronpar kan tunnla över barriärenutan motstånd. Men när den kritiska strömmen överskrids kommer en annan spänning att utvecklas över korsningen. Den spänningen kommer att bero påtid-det vill säga det är en växelspänning. Detta orsakar i sin tur en sänkning av korsningens kritiska ström, vilket orsakar ännu mer normal ström att flöda-och alarger växelspänning.
frekvensen för denna växelspänning är nästan 500 gigahertz (GHz) per millivolt över korsningen. Så, så länge som strömmengenom korsningen är mindre än den kritiska strömmen är spänningen noll. Så snart strömmen överstiger den kritiska strömmen är spänningen inte nollmen oscillerar i tid. Att upptäcka och mäta förändringen från ett tillstånd till ett annat är kärnan i de många applikationerna för Josephsonjunctions.
elektroniska kretsar kan byggas från Josephson-korsningar, särskilt digitala logikkretsar. Många forskare arbetar med att byggaultrasnabba datorer med Josephson-logik. Josephson korsningar kan också formas till kretsar som kallas bläckfiskar-en akronym för superconductingquantum interference device. Dessa enheter är extremt känsliga och mycket användbara vid konstruktion av extremt känsliga magnetometrar ochvoltmätare. Till exempel kan man göra en voltmeter som kan mäta picovolts. Det är ungefär 1000 gånger känsligare än andra tillgängligavoltmeter.
en bläckfisk består av en slinga med två Josephson-korsningar som avbryter slingan. ASQUID är extremt känslig för den totala mängden magnetfält som tränger in i slingans område-spänningen som du mäter över enheten är mycket starkt korrelerad med det totala magnetfältet runt slingan.
bläckfiskar används för forskning inom olika områden. Eftersom hjärnan fungerar elektriskt kan man, genom att känna av magnetfälten som skapas av neurologiska strömmar, övervaka hjärnans aktivitet-eller hjärtat. Du kan också använda en BLÄCKFISKMAGNET för geologisk forskning, upptäcka rester av tidigare geofysiska förändringar av jordens fält istenar.
på samma sätt skapas förändringar i det omgivande magnetfältet av ubåtar som passerar under havsytan, och den amerikanska flottan ärmycket intresserad av bläckfiskar för ubåtdetektering. SQUIDs är också av stor användning i forskningslaboratoriet i specialdesignadevoltmetrar, i magnetometrar och susceptometrar och i skanning av BLÄCKFISKMIKROSKOP. I detta sista instrument skannas en bläckfisk över ytan av ett prov och förändringar i magnetism vid provets yta ger en bild.
