З’єднувач Джозефсона: Квантове тунелювання через надпровідний бар’єр

Проведення постійного струму в надпровідниках: Josephsonів ефект

У надпровіднику електрони об’єднуються в кочери pairs, які ділять єдину макроскопічну хвилю з визначеною фазою. Коли два надпровідники відокремлені бар’єром достатньої товщини — кілька нанометрів оксиду, або смужка нормального металу — їхні хвильові функції перекриваються слабко, і кочери pairs тунелюють між ними узгоджено. Зізнаюся, що стабільний надструм тече навіть при нульовій напрузі. Спочатку передбачений Брайаном Джозефсоном у 1962 році (Нобелівська премія 1973 року), струм залежить лише від фазового різниці φ між двома надпровідниками:

I = I_c · sin(φ) ← DC Josephson ефект dφ/dt = (2e/ħ) · V ← AC Josephson ефект K_J = 2e/h ≈ 483.6 GHz/mV ← Джозефсонова стала Оскільки залежність синусоїдальна, струм ніколи не перевищує критичний струм I_c: прикладіть більше зусилля і з’єднувальне пристрій раптово розвине напругу та стане опірним. Що робить це вражаючим — це його некомутабельність — струм встановлюється за допомогою спільного квантової фази, а не відповідно до закону Ома.

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

Вплив постійного напруги: ідеальний перетворювач напруги-частоти

Підтримуйте постійне напруження V на стикувачі, і фазове відхилення поступово збільшується вперед, створюючи синусоїдальну коливальну суперструму з частотою f = 2eV/h. Оскільки стала Джозефсона K_J = 2e/h повністю складається з фундаментальних констант, вона пов’язує напругу з частотою з надзвичайною відтворюваністю — частоту можна виміряти відносно атомних годинників з приголомшливою точністю. Саме тому національні метрологічні лабораторії визначають сучасний вольт за допомогою масивів Джозефсонівських перемикачів замість хімічних опорних комірців, і чому застосовані мікрохвильові коливання створюють рівномірні кроки Шапіро у кривій напруга-струм.

Котушки Джозефсона: квантовое туннелирование через сверхпроводящий барьер

Котушка Джозефсона — это петля из сверхпроводящего материала с двумя или более переходами. Эти переходы позволяют использовать квантизацию потока для обнаружения магнитных полей, которые в миллиарды раз слабее земного магнитного поля. Это используется в нейровизуализации и геофизических исследованиях. Массивы из тысяч таких котушек, управляемых микроволнами, обеспечивают точность до сотых частей атомарных единиц. Сверхпроводящие кубиты (трансмоны и флюксовые кубиты) используют нелинейную индуктивность перехода для создания адресной двухъядерной системы. Информация хранится в виде дискретных квантов магнитного потока, что позволяет создавать вычислительные устройства с очень низким энергопотреблением и высокой скоростью. Все это основано на двух компактных уравнениях и одной ключевой квантовой идее: когерентном туннелировании связанных электронов.

Frequently asked questions

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте the simulation і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.