Jodzenie w Strunie: Kwantowe Tunelowanie Przez Barierę Nadprzewodniką

Efekt DC: prąd bez napięcia

W podwójnie zwartej strukturze (np. w superprzewodniku), elektrony wiążą się tworząc pary Kukry, które dzielą pojedynczą falę matematyczną o zdefiniowanej fazie. Gdy dwa superprzewodniki są oddzielone przez barierę – na przykład kilka nanometrów tlenku lub kawałek metalu w stanie uporządkowanym – ich fale matematczne nakładają się słabo, a pary Kukry przechodzą przez nie koherentnie. W rezultacie płynie stały prąd superzewodowy nawet przy zerowym napięciu. Efekt ten został po raz pierwszy przewidywany przez Briana Josepha w 1962 roku (Nagroda Nobla w 1973 roku), a jego wartość zależy wyłącznie od różnicy faz φ między dwoma superprzeiwodnikami:

I = I_c · sin(φ) ← Efekt Kukry (DC Josephson effect) ∂φ/∂t = (2e/ħ) · V ← Efekt Josephson (AC Josephson effect) ν = 2eV / h ← konwersja napięcia na częstotliwość K_J = 2e/h ≈ 483,6 GHz/mV ← stała Kukry Ponieważ zależność jest sinusoidalna, prąd nigdy nie może przekroczyć krytycznego prądu I_c: zwiększ siłę i połączenie nagle rozwija napięcie oraz staje się rezystancyjne. Co czyni to wyjątkowym, to jego charakter nielokalny – prąd jest ustalany przez współdzieloną fazę kwantową, a nie prawem Ohma.

I = I_c · sin(φ)          ← DC Josephson effect
dφ/dt = (2e/ħ) · V         ← AC Josephson effect
f = 2eV / h                ← voltage-to-frequency conversion
K_J = 2e/h ≈ 483.6 GHz/mV  ← Josephson constant

Efekt prądu przemiennego: idealny konwerter częstotliwościowo-napięciowy

Utrzymując stałe napięcie V na styku, różnica fazowa nieustannie się winduje do przodu, powodując oscylację superprądu sinusoidalnie z częstotliwością f = 2eV/h. Ponieważ stała Josephson K_J = 2e/h jest zbudowana wyłącznie z podstawowych stałych, wiąże napięcie z częstotliwością z niezwykłą powtarzalnością – częstotliwość można mierzyć względem atomowych zegarów z wspaniałym precyzją. To właśnie dlatego laboratoria metrologiczne krajowe definiują nowoczesny volt za pomocą układów Josephson, zamiast ogniw chemicznych referencyjnych, a promieniowanie mikrofalowe generuje płaskie kroki Shapiro w krzywej prąd–napięcie.

SZYKIROWANE CIĘŻAROWANIE - SQUIDY, KWITY I ELEKTRONIKA ZWYCIĄGLNA

Obwód zawierający jeden lub dwa połączenia – SQUID – wykorzystuje kwantyzację strumienia do wykrywania pól magnetycznych setki tysięcy razy słabszych niż ziemskie, używany w obrazowaniu mózgu i badaniach geofizycznych. Układy składające się z tysięcy połączeń sterowanych mikrofalami umożliwiają uzyskanie napięcia na poziomie miliardowych części barda. Superconducting qubits (transmon i flux qubits) wykorzystują nieliniową indukcyjność połączenia do wyodrębnienia adresowalnego systemu dwójstopniowego, a pamięć opartej na pojedynczym kwancie strumieni magnetycznego przechowuje informacje jako dyskretne kwanty strumienia dla bardzo energooszczędnych i szybkich komputerów. Wszystko to opiera się na dwóch zwięzłych równaniach i jednej idei kwantowej: skoherentnego tunelowania sprzężonych elektronów.

Frequently asked questions

Wypróbuj na żywo

Wszystko powyżej działa bezpośrednio w Twojej przeglądarce — otwórz the simulation i zmieniaj parametry podczas działania. Nic nie jest instalowane ani przesyłane na serwer, cały model działa w jednej karcie.