INŻYNIERIA MATERIAŁOWA

NADPRZEWODNIKI

Tunelowanie Josephsona - zjawisko fizyczne zapostulowane przez Briana
Josephsona (Nagroda Nobla z fizyki w 1973 roku) w 1962 roku, a potwierdzone
doświadczalnie w 1963. Efekt ten polega na tunelowaniu elektronów między
dwoma nadprzewodnikami na granicy nadprzewodnik-izolator-nadprzewodnik (tzw.

złącze Josephsona

). Nadprzewodniki rozdzielone są cienką warstwą wykonaną z

dielektryka (izolatora) o grubości nanometrów.

Natężenie prądu płynącego przez złącze jest opisywane przez

pierwsze prawo Josephsona

:

gdzie:

φ

- różnica faz funkcji falowych par Coopera po przeciwnych stronach złącza,

I

1

- parametr stały dla danego złącza zależny od temperatury złącza i bardzo silnie zależny od zewnętrznego pola

magnetycznego.
Jeżeli dodatkowo na złączu przyłoży się napięcie

U

(

t

), faza

φ

będzie się zmieniać zgodnie z równaniem (

drugie

prawo Josephsona

):

gdzie:
– h kreślone - Stała Plancka,

e

– ładunek elementarny.

Efekt Josephsona jest wykorzystywany w SQUIDzie.
SQUID (ang.

Superconducting Quantum Interference Device

) -

urządzenie wykorzystujące efekt kwantyzacji strumienia indukcji
magnetycznej w pierścieniu nadprzewodzącym i efekt Josephsona.

Zastosowanie:
-w przyrządach do pomiaru bardzo słabych pól magnetycznych (m.in.
wywołanych akcją serca — magnetokardiografia) i bardzo słabych
napięć, do detekcji i przemiany częstotliwości mikrofalowych, w
bolometrii i w termometrii szumowej, a także do realizacji wzorca
jednostki napięcia.

Przy pewnej wartości natężenia prądu w jednym z nadprzewodników
pole magnetyczne wywołane tym prądem niszczy stan
nadprzewodzący w drugim metalu (efekt Meissnera).

Element taki charakteryzuje się bardzo krótkim czasem przełączenia
i małym poborem mocy. Logicznie równoważny jest tranzystorowi.
Stosowane w dużych, złożonych układach scalonych do
przyspieszania przekazywania sygnałów poprzez efekt tunelowania
elektronów.

Pomimo dużego wzrostu szybkości działania w porównaniu do
tradycyjnych elementów półprzewodnikowych nie są zbyt
rozpowszechnione z powodu wymogów temperaturowych (wymagane
temperatury bliskie zeru bezwzględnemu). Układy scalone
wykorzystujące zjawisko Josephsona są ciągle w stadium prac
laboratoryjnych (wymagają bardzo niskich temperatur), ich zaletą
jest jednak szybkość działania od 100 do 1000 razy większa niż
krzemowych układów monolitycznych. Pomimo tego, złącza
Josephsona uważane są za przyszłościowy materiał dla elektroniki.