Физика 20 века: ключевые эксперименты - Тригг Дж.
Скачать (прямая ссылка):
результаты прекрасно согласовались с теорией БКШ.
Однако эти результаты относились к туннелированию свободных (неспаренных)
электронов и давали информацию о распределении по энергиям одночастичных
состояний и значении энергетической щели. С другой стороны, явления,
предсказанные Джозефсоном, в строгом смысле вытекают из существования
электронных пар и их свойств (см. приложение), и в частности из того, что
к парам неприменим принцип Паули. Если толщина барьера между двумя
сверхпроводниками меньше характерной длины затухания волновой функции
электрона внутри барьера *, то волновая функция электронной пары может
проникать через барьер с любой из двух сторон на другую. Это означает,
во-первых, туннелирование электронных пар через барьер и, следовательно,
протекание сверхпроводящего тока, которому не препятствует (как это имеет
место в случае обычного одночастичного туннельного тока) отсутствие
свободных состояний по другую сторону барьера. Во-вторых, это означает
корреляцию фаз 0 волновых функций по обе стороны барьера.
Полное математическое рассмотрение вопроса слишком сложно, чтобы
приводить его здесь, но основные положения его довольно просты. Как
отмечено в приложении, фаза волновой функции 0 имеет постоянное значение
внутри всего сверхпроводника (когда отсутствуют и сверхпроводящий ток, и
магнитное поле) и может изменяться сразу во всем сверхпроводнике на одну
и ту же величину без каких-либо наблюдаемых последствий с точки зрения
физики. В системе из двух сверхпроводников, разделенных толстым слоем
изолятора, фаза волновой функции с каждой из двух сторон может изменяться
таким образом независимо от фазы с другой
1 Волновая функция частицы в области, запрещенной для нее с класической
точки зрения, зависит от расстояния от границы этой области
приблизительно как e-x/i, где I - длина затухания.
296
стороны. Если же толщина барьера уменьшается до нуля, то следует
предполагать, что свойства системы будут постепенно изменяться,
приближаясь к свойствам единого сверхпроводника. Это означает, что
существует энергия взаимодействия (или связи) между двумя
сверхпроводниками, которая зависит от разности фаз и с уменьшением
толщины барьера увеличивается по абсолютной величине, оставаясь при этом
отрицательной. Согласно строгой теории, в пределе для слабой связи эта
энергия на единицу поверхности имеет вид
Есв "¦ Е0 cos 6,
где Е0 > 0 зависит от структуры перехода ',6 - раз-' ность значений 0 по
обе стороны перехода. Изменение фазы от одной точки к другой в свою
очередь означает (см. приложение) наличие сверхпроводящего тока с
плотностью
j= h sin б, (14.1)
где /1=-2еЕъ/b. Величину б экспериментатор может отчасти изменять
косвенным путем. Одним из параметров, который влияет на нее, является
напряжение на барьере; однако при нулевом напряжении б имеет конечное,
ненулевое значение. Таким образом, экспериментатор, согласно условию
(14.1), может изменять сверхпроводящий ток с помощью внешней
электрической цепи.
Как уже упоминалось, Джозефсон получил свои результаты будучи еще
студентом в Кембридже. Интерес к этой проблеме возник у него в то время,
когда он слушал курс лекций П. В. Андерсона из лаборатории фирмы "Бэлл
телефон", проводившего в Кембридже свой свободный "седьмой год"2.
Естественно, что Джозефсон обсуждал с Андерсоном свои идеи3. Андерсон
писал об этом в своей статье в журнале Physics Today:
1 Она определяется величиной (я/еЛ/?м) AiA2/(Ai + Д2), где Ai и А2 -
полуширина энергетических щелей для соответствующих сверхпроводников, Run
- сопротивление (туннельное) перехода в случае, когда оба металла
находятся в нормальном состоянии, А -¦ .площадь перехода, е - заряд
электрона.
2 В американских университетах профессор через каждые шесть лет получает
один "седьмой" год, свободный от лекций. - Прим. перге.
3 Именно Андерсон отметал то обстоятельство, -что магнитное поле должно
оказывать сильное воздействие иа эффект.
297
"После дискуссий в Кавендише [лаборатория в Кемн бридже]... я вернулся
домой в лабораторию "Бэлл". Там я поделился с Джоном М. Роуэллом своими
соображениями о том, что, по моему убеждению, Джозефсон прав. В ответ
Роуэлл сообщил, что иногда наблюдал подобные явления при исследовании
туннельных переходов. Несколько месяцев спустя он позвал меня и показал
свои экспериментальные результаты, полученные с новой серией туннельных
переходов, в которых, как он полагал, действительно наблюдается эффект
Джозеф-сона". После ряда контрольных экспериментов, проведенных с тем,
чтобы исключить возможность ошибки, Андерсон и Роуэлл опубликовали
сообщение о своих исследованиях в журнале Physical Review Letters в марте
1963 г.
"Мы наблюдали аномальный постоянный туннельный ток при нулевом (или
вблизи него) напряжении через очень тонкие барьеры из окиси олова между
сверхпроводниками Sn и РЬ. Этот ток нельзя отнести на счет
сверхпроводящих токов утечки из-за дефектов барьера; он ведет себя в
