12. Приборы с джозефсоновскими контактами

12.1. Введение

Хорошо известно, что у ряда металлов и металлических сплавов наблюдается явление сверхпроводимости: ниже температуры перехода которая различна у различных сверхпроводников, но всегда находится в области гелиевых температур, их электрическое сопротивление полностью исчезает. Этот эффект был открыт в 1911 г. Камерлинг-Оннесом, который обнаружил, что сопротивление ртути обращается в нуль при температурах ниже 4,2 К. Отсутствие сопротивления означает, что в сверхпроводящем кольце, находящемся ниже температуры перехода, можно возбудить «сверхток», и такой ток, как можно ожидать, будет бесконечно долгое время циркулировать, не изменяясь. Действительно, наблюдались сверхтоки, в пределах точности измерений сохранявшие свою величину в течение очень долгого времени (нескольких лет).

Сверхтоки представляют собой существенно квантовое явление, заключающееся в образовании слабо связанных пар электронов, которые двигаются через вещество без столкновений с кристаллической решеткой. Механизм «спаривания» впервые был предложен Купером [6]; его теория позже была усовершенствована Бардиным, Купером и Шриффером [3] и называется БКШ-теорией. Они приняли во внимание многочастичные взаимодействия всех электронов. Главный вывод из БКШ-теории состоит в том, что существенным является только взаимодействие куперовских пар, влияние остальных взаимодействий сводится просто к ограничению числа состояний, в которые могут рассеиваться куперовские пары.

Силы, связывающие два электрона в куперовскую пару, чрезвычайно слабы, поэтому сверхпроводимость наблюдается только при низких температурах, когда тепловая энергия электронов меньше ширины энергетической щели (т. е. энергии, необходимой, чтобы разделить пару). Связь также можно разорвать, приложив достаточно сильное магнитное поле или пропустив сильный ток. В любом случае сверхпроводимость разрушается и материал ведет себя как обычный проводник, в котором носителями тока являются обычные электроны.

Между двумя электрическими проводниками, находящимися в нормальном состоянии и разделенными тонким слоем изолятора, может протекать ток благодаря процессу туннелирования. Согласно классической физике, это невозможно, но из квантовой механики следует, что, даже если энергия электрона недостаточна для прямого преодоления барьера, он может с отличной от нуля вероятностью пройти сквозь барьер и появиться на другой стороне. Аналогично нормальный туннельный ток неспаренных электронов может протекать через контакт, образованный двумя сверхпроводниками, разделенными изолятором. Но возможно также туннелирование куперовских пар через барьер. Это означает, что изолирующий материал между двумя сверхпроводниками ведет себя как сверхпроводник. Такое замечательное поведение наряду с несколькими другими важными эффектами было теоретически предсказано Джозефсоном [11]. Он рассматривал контакт как «слабый» сверхпроводник, так как при наличии изолирующего слоя между сверхпроводниками сверхток легче, чем в сплошном сверхпроводнике, разрушается внешним воздействием, в частности магнитным полем.

Воздействие магнитного поля на сверхток, протекающий через джозефсоновский контакт (в предположении, что напряженность поля не превосходит уровня, при котором сверхток разрушается), приводит к пространственным изменениям величины и направления тока. Это в свою очередь означает, что результирующий ток через контакт зависит от приложенного магнитного поля, причем уравнения, описывающие эту зависимость, совпадают с теми, которые описывают картину дифракции Фраунгофера, когда свет проходит через одиночную щель. Аналогично в случае двух джозефсоновских контактов, включенных параллельно в сверхпроводящее кольцо, математическое описание зависимости тока от магнитного потока, пронизывающего кольцо, такое же, как для интерференционной картины, получаемой в случае дифракции на двух щелях. Действительно, механизмом, лежащим в основе изменений тока в многоконтактных приборах, является квантовая интерференция, и такие приборы известны как джозефсоновские интерферометры или сверхпроводящие интерферометрические приборы (сквиды).

Сквид чрезвычайно чувствителен к слабым изменениям напряженности магнитного поля, и поэтому его можно использовать как магнитометр с высокой разрешающей способностью. Он впервые был предложен в середине 1960-х гг. Джаклевичем с сотр. [10]. Предельное разрешение сквида определяется тепловым шумом, присущим джозефсоновским контактам. Созданные впоследствии многоконтактные приборы по чувствительности приближаются к этому пределу. Шум сквидов настолько низок, что они используются в качестве чувствительных

элементов в детекторах гравитационного излучения (гл. 13). Именно в этих устройствах чрезвычайно важную роль играет совершенство системы регистрации сигнала, требующей тщательнейшего исполнения, чтобы достичь уникальной чувствительности. Применение здесь сквидов естественно и оправданно.

В последней части этой главы рассматриваются механизмы шумов, возникающих в сверхпроводниках, джозефсоновских контактах и сквидах. Однако предварительно полезно ознакомиться с физикой работы приборов, использующих джозефсоновские контакты, а затем перейти к обсуждению шумов и флуктуаций в контактах.