Стационарный эффект Джозефсона

[d1234]

Мы пытались разобраться со стационарным эффектом Джозефсона, и было примерно такое утверждение:

Цитата:

если сделать кольцо с джозеновским контактом (ДК), то ток в кольце не потечет, так как фазы будут одинаковы.

Это должно быть верно для кольца сквида, который, возможно, сделан из однородного материала, но ведь речь шла о стационарном эффекте Джозефсона, то есть для разных материалов.

Поэтому у меня появились такие вопросы:

1. Все-таки, стационарный эффект Джозефсона - это самопроизвольное появление в сверхпроводящей цепи некоего измеримого тока или возможность пропускать через контакт ток от внешнего источника без падения напряжения на контакте?
2. В случае, если ток может течь самопроизвольно, достаточно ли будет для его возникновения каких-либо неоднородностей на контактах, если кольцо сделано из одного материала, или обязательно должен быть разный материал? Или ток от неоднородностей просто неизмерим и непредсказуем?
3. Как был экспериментально проверен стационарный эффект Джозефсона? Есть ли сверхпроводящий «амперметр», чтобы измерить этот ток, или речь действительно идет о просто пропускании тока через ДК без падения напряжения на нем?

[Cos(x-pi/2)]

В условиях стационарного эффекта Джозефсона ток течёт через туннельный контакт двух сверхпроводников (или, в более общем случае, - через т.н. "звено слабой связи" между сверхпроводниками) от обычного внешнего источника тока.

Последовательно с источником тока (и звеном слабой связи или ДК) можно включить обычный амперметр и измерять силу тока. Параллельно ДК можно включить обычный вольтметр. Таким образом, можно снять ВАХ джозефсоновского контакта. Если ток не превышает критического значения, то напряжение на ДК равно нулю - в этом заключается стационарный эффект Джозефсона; он виден прямо на ВАХ.

Попробуйте почитать вот эту хорошую книгу, где всё объясняется понятным для начинающих яыком (и в то же время там есть задачи): В.В. Шмидт "Введение в физику сверхпроводников".

[d1234]

Cos(x-pi/2), спасибо большое! А за счет чего образуется разность фаз на двух сторонах? (Ведь если фазы одинаковы, то синус даст нуль.) Имеет ли здесь значение материал контактов или фазы зависят от источника тока (или магнитного поля)?

[Cos(x-pi/2)]

Отчего образуется разность фаз $\varphi$ - вопрос того же рода, что и вопрос "отчего образуется (или от чего зависит) волновая функция сверхпроводящего электронного конденсата". Ведь фаза существует не сама по себе, а является частью этой самой конденсатной волновой функции.

Ответ: она от всего зависит; но чтобы узнать как зависит, надо решать уравнение для волновой функции в данной конкретной системе сверхпроводников. Более строго говоря, речь об уравнении для комплексного "параметра порядка" феноменологической теории сверхпроводимости (или об уравнении для некоей функции Грина в микроскопической теории). Имхо, разговоры "на пальцах" в таких делах почти бесполезны, надо изучать серьёзную литературу.

А если всё-таки на пальцах, то кое-что видно прямо из простейшего уравнения для сверхпроводящего тока $I$ при стационарном эффекте Джозефсона:

$I=I_J \sin \varphi $,

где $I_J$ - критический ток данного джозефсоновского контакта, $I$ - ток через контакт, произвольно задаваемый источником тока в цепи этого контакта.

Видно, что если задан ток $I$, меньший критического, то это уравненение Джозефсона наверняка будет иметь некоторое решение $\varphi.$ Т.е. разность фаз автоматически так подстраивается под заданный ток $I,$ что уравнение удовлетворяется. Это Вам ответ на вопрос, зависит ли разность фаз от тока.

Она по аналогичной причине зависит и от материала, от размеров и геометрии контакта - ибо от значений всех этих конкретных параметров зависит величина критического тока $I_J.$ Например, представьте себе, что мы что-то изменим в устройстве контакта, так что $I_J$ слегка уменьшится; а источник тока пусть заставляет течь через цепь прежний ток $I,$ и он всё еще меньше критического. Значит, тогда разность фаз автоматически изменится так, чтобы опять обеспечить выполнение уравнения.

Внешнее магнитное поле тоже влияет на эту картину, потому что оно влияет на величину критического тока. Картина при этом становится гораздо более сложной и интересной: разность фаз в присутствии магнитного поля становится зависящей от координат в плоскости контакта, плотность тока также будет неоднородна вдоль контакта, а магнитное поле проникает в контакт, образуя так называемые вихри Джозефсона. И опять-таки вся система автоматически подстраивается под заданный извне ток.

Если заданный извне постоянный ток $I$ превышает критическое значение, то (как снова видно из того же уравнения Джозефсона), этот ток уже не может быть полностью сверхпроводящим. Поэтому в игру вступают одночастичные возбуждения ("нормальные электроны") - теперь и они участвуют в картине протекания тока через контакт. Уравнения усложняются и показывают, что оба вклада в ток изменяются во времени с высокой частотой, а на контакте появляется напряжение, тоже имеющее переменную составляющую; это т.н. нестационарный эффект Джозефсона.

Короче говоря, тут дело обстоит так: конденсатная волновая функция и её фаза на берегах контакта это "переменные состояния" данной системы, которые автоматически подстраиваются под заданные внешние условия. (А не так, как Вы, может быть, подумали, что, мол, фаза определяется материалом контактов, а от фазы зависит ток в системе).

Подробнее обо всём этом рассказано в упомянутой выше книге, всё-таки почитайте её хорошенько, если интересуетесь этими делами.

[d1234]

Cos(x-pi/2), спасибо огромное! Книжку я скачал и постепенно читаю. А Ваши ответы очень ценны.