Физика 20 века: ключевые эксперименты - Тригг Дж.
Скачать (прямая ссылка):
некоторых отношениях так, как должен вести себя ток Джозефсона.
На рис. [14.5] показана записанная на двухкоординатном самописце
зависимость туннельного тока от напряжения для одной из исследованных
структур при Т ~ 1,5 К- Пленки толщиной (как для свинца, так и для олова)
приблизительно 2000 А образуют переход размером 0,25X0.65 мм2 и
сопротивлением (для случая, когда оба металла в нормальном состоянии) 0,4
Ом. Напряжение, снимаемое со средней точки потенциометра сопротивлением 1
кОм, приложено между двумя контактами перехода, а результирующий ток
измеряется по падению напряжения на последовательно включенном
сопротивлении в 10 Ом. Напряжение, возникающее на барьере, снимается с
двух других контактов перехода. На рис. [14.6] представлена та же
зависимость, но в увеличенном масштабе по току, что позволяет
продемонстрировать аномальную область, существующую вблизи начала
координат. Сначала ток возрастает до 0,3 мА при нулевом напряжении на
барьере. В этом месте зависимость туннельного тока через переход
становится неустойчивой и может флуктуировать между вертикальной
характеристикой и характеристикой, тео-
298
ретически ожидаемой для перехода из двух сверхпроводников *. При
дальнейшем небольшом увеличении тока переход вновь обретает
устойчивость...
В качестве одного из возможных объяснений наблюдаемого эффекта следовало
бы, очевидно, принять то,
Напряжение, мВ
Рис. 14.5. Вольт-амперная характеристика туннельного перехода олово -
окись олова - свинец при Т ~ 1,5 К в [магнитном] поле 6Х КГ3 Гс (а) и 0,4
Гс (б) [Phys. Rev. Lett., 10 (1963), стр. 230,
рнс. 1].
что в таких тонких переходах мы не гарантированы о^ маленьких
сверхпроводящих закорачивающих нитей, которые пронизывают барьер. Однако
имеется четыре экспериментальных факта, заставляющих предполагать, что
наблюдается именно эффект Джозефсона.
1 Штриховая линия при более высоком напряжении показывает скачок через
участок с отрицательным сопротивлением на вольт-амперной характеристике.
299
о 1 г
Напряжение, мВ
Рис. 14.6. Начальный участок зависимости, приведенной на рис. 14.5" в
увеличенном масштабе вместе с вольт-ампериой характеристикой перехода в
ноле ~ 20 Гс [Phys. Rev. Lett., 10 (1963), стр. 230, рис. 2].
1. Как отмечалось в статье Джозефсона, эффект должен быть очень
чувствителен к магнитному полю... Кроме того, мы ожидаем также
существование зависимости от... векторного потенциала, которая должна
привести к компенсации токов в различных частях барьера, когда величина
магнитного потока между сверхпроводниками достигает одного или двух
квантов1. Для поверхности площадью --'10"7 см2 это происходит в полях
напряженностью около 1 Гс. Мы обнаружили [см. рис. 14.6], что а) в
случае, когда переход был тщательно экранирован кожухом из p-металла
(измеренное поле внутри составляло 6 • 10_3 Гс), на вертикальном участке
характеристики ток достигает 0,65 мА; б) без экрана (поле 0,4 Гс) ток
составлял 0,30 мА; в) аномальный участок на характеристике вообще не
наблюдался, когда поле, увеличиваясь, приближалось к 20 Гс. В то же время
для тонких сверхпроводящих нитей критическое значение поля должно было бы
быть чрезвычайно высоким".
Другие факты, подтверждающие, что наблюдается именно эффект Джозефсона,
мы не будем описывать детально; они таковы: а) существование эффекта
только в случае, когда оба металла находятся в сверхпроводящем состоянии;
б) величина реальной проводимости барьера; в) поведение перехода при
попытке "выжечь" предполагаемую тонкую закорачивающую нить. Андерсон и
Роуэлл резюмировали: "Эти... аргументы, как нам кажется, почти полностью
исключают гипотезу о существовании закорачивающих нитей".
В действительности Джозефсон сам изготовил туннельный переход и пытался
наблюдать эффект, но
1 Этот термин связан с правилом (предсказанным в 1950 г. Фрицем
Лондоном), согласно которому магнитный поток через от-верстие в
многосвязанном сверхпроводнике не может иметь произвольные значения - он
квантуется. Вычисления Лондона, основанные на его феноменологической
теории с учетом самых общих свойств волновых функций электронов, привели
к величине кванта, равной ftc/е Успех теории БКШ, показавшей, что
сверхпроводимость обусловлена коррелированными электронными парами,
привел к тому, что число е в знаменателе было заменено на 2е. Теория,
содержащая исправленное значение кванта потока, была подтверждена в двух
независимых)" несколько различных экспериментах) в 1961 г.: Один - Б С.
Дивера и В. М. Фербэнка из Стэнфордского университета, другой - Р. Долла
и М Нэбауэра из Баварской академии Наук. Величина кванта потока hc/2e
равна 2,1 ¦ 10-7 Гс-см2.
301
безуспешно. Трудность наблюдения состояла в том, что если энергия связи
Есв не превосходит уровень шума в цепи, то корреляция между парами
нарушается тепловыми флуктуациями, и эффект Джозефсона не проявляется.
Поэтому качество переходов, изготовленных Роуэллом, в частности их низкое
сопротивление1, определило успех эксперимента. Андерсон, однако, отмечал,
