Андрей Варламов - Физика повседневности. От мыльных пузырей до квантовых технологий

2. Туннельный эффект в проводящем кольце, содержащем диэлектрический барьер (отмечен красным цветом). Если прослойка диэлектрика не слишком велика, то электроны благодаря туннельному эффекту с некоторой вероятностью проходят через него. Протекающий в кольце ток измеряется амперметром

А что же произойдет в случае сверхпроводящего кольца? Оказывается, что и здесь имеет место своеобразный туннельный эффект. Куперовским парам удается преодолевать слой диэлектрика толщиной в несколько нанометров или слой нормального металла толщиной в десяток нанометров. Казалось бы, что для таких составных бозонов механизм туннелирования должен заключаться в последовательном проникновении через стенку сперва одного, а затем другого электрона, то есть соответствующий сверхпроводящий ток должен быть пропорциональным квадрату и так малой вероятности проникновения электрона сквозь барьер. Однако еще одной диковиной сверхпроводимости оказывается тот факт, что, будучи, как мы уже знаем, довольно размазанными в пространстве объектами, куперовские пары туннелируют сквозь барьер примерно с той же вероятностью, что и каждый электрон, их составляющий. Можно сказать, что оба электрона каким-то образом туннелируют когерентно, одновременно. Это явление было предсказано в 1962 году англичанином Брайаном Джозефсоном (в то время всего лишь 22-летним аспирантом Кембриджского университета), а придуманный им «сэндвич» – диэлектрический слой между двумя сверхпроводниками – называется «джозефсоновским контактом».

За это открытие в 1973 году Брайан Джозефсон был удостоен Нобелевской премии по физике. Почему такая престижная награда досталась за «простую» демонстрацию того, что сверхпроводящий ток обладает тем же свойством, что и обычный? Во-первых, оказалось совершенно неожиданным, что куперовские пары туннелируют сквозь перемычку не разрываясь. Во-вторых, Джозефсон сумел предсказать совершенно замечательные свойства изобретенного им прибора. Их описание выходит за рамки этой книги, но одно из его применений мы просто назовем: это измерение с помощью квантового магнитометра сверхслабых магнитных полей, возникающих при протекании крови в сердце, что позволяет на ранней стадии диагностировать сердечные заболевания.

Самый простой квантовый магнитометр состоит из сверхпроводящего кольца с тончайшей диэлектрической перемычкой (илл. 3a). Представим себе, что это кольцо помещают во внешнее магнитное поле, которое вначале, как и ток в контуре, равно нулю. Тогда поток внутри кольца тоже равен нулю. Начнем увеличивать внешнее поле. Пока поле не слишком велико, проходящий через кольцо общий магнитный поток Φ должен оставаться неизменным и равным нулю (см. главу 25, «Квантование магнитного потока в сверхпроводящем кольце»). Для этого необходимо, чтобы создаваемый протекающим по кольцу током I магнитный поток Φ I в каждый данный момент компенсировал изменение внешнего потока Φ внеш . По мере возрастания магнитного поля этот ток увеличивается вплоть до достижения критического значения I к (за счет выбора сопротивления диэлектрической перемычки можно добиться того, что это произойдет при Φ внеш = Φ 0 /2. Здесь Φ 0 = h/2e = 2,07∙10 -15Вб – так называемый квант магнитного потока).

3. a.Сверхпроводящее кольцо с джозефсоновским контактом помещается во внешнее магнитное поле B →. b.При монотонном росте внешнего потока Φ внеш = BS полный магнитный поток Φ меняется скачками. c.Величина I сверхпроводящего тока не может превышать критическое значение I к , определяемое свойствами контакта, и, следовательно, изменяется пилообразно. Ток меняет знак, когда сверхпроводимость в контакте разрушается (здесь мы рассматриваем случай, когда критическое значение тока I к достигается при увеличении внешнего потока на Φ 0 /2)

Как только ток станет равным I к , сверхпроводимость в месте слабой связи разрушится и в контур войдет квант потока Φ 0 . Общий магнитный поток возрастет на один квант. Такое изменение возможно только благодаря разрушению сверхпроводимости в области перемычки, что и делает устройство настолько необыкновенным!

А что произойдет с током? Его величина останется прежней, но направление изменится на противоположное. Действительно, если до вхождения кванта потока Φ 0 ток I к полностью экранировал внешний поток, то после его вхождения он должен усиливать внешний поток Φ 0 /2 до значения Φ 0 . Поэтому в момент вхождения кванта потока направление тока скачком меняется на противоположное.

При дальнейшем увеличении внешнего поля ток в кольце начнет уменьшаться, сверхпроводимость в кольце восстановится и поток внутри кольца будет оставаться равным Φ 0 . Ток в контуре обратится в ноль, когда внешний поток также станет равным Φ 0 , а затем он начнет течь в обратном направлении. Наконец, при значении внешнего потока 3Φ 0 /2 ток опять станет равным I к , сверхпроводимость разрушится, войдет следующий квант потока и т. д. (илл. 3с).

Ступенчатый характер зависимости тока как функции магнитного потока позволяет измерять значение внешнего поля с необычайной точностью. Однако остается проблема измерения тока в кольце с туннельным контактом.

4. Принцип действия СКВИД. Магнитометр состоит из сверхпроводящего кольца с двумя джозефсоновскими контактами. Ток I , протекающий в СКВИД, разделяется на две ветви. Если устройство поместить во внешнее магнитное поле B , то эти два тока интерферируют, что приводит к разнице потенциалов между туннельными контактами, измерение которой позволяет узнать значение поля

Часто в сверхпроводящем кольце вместо одного создается сразу два джозефсоновских контакта. Таким образом получается «сверхпроводящий квантовый интерферометр», или СКВИД (от англ. SQUID, Superconducting Quantum Interference Device) (илл. 4). Принцип его работы основан на интерференции волновых функций двух сверхпроводящих конденсатов, разделенных джозефсоновскими контактами, которую можно сопоставить с интерференцией, происходящей в двух расположенных рядом щелях Юнга в оптике (см. главу 3, «Квантование магнитного потока в сверхпроводящем кольце»).