Физика 20 века: ключевые эксперименты - Тригг Дж.
Скачать (прямая ссылка):
в 1972 т. Нобелевской премии по физике1. В приложении А данной книги
приведено схематическое изложение теории и рассказана предыстория ее
создания.
Ключевое положение теории БКШ состоит в постулировании корреляции между
парами электронов: основное состояние сверхпроводника при нулевой
температуре есть состояние, в котором все электроны спарены под действием
корреляционных сил. Энергия, необходимая для разрыва такой пары,
соответствует щели в энергетическом спектре электронов. Щель расположена
в зоне проводимости: ее ширина имеет порядок kTKP (Ткр - критическая
температура перехода между нормальным
1 Таким образом, за всю историю существования Нобелевской премии, Бардин
стал первым лауреатом, получившим ее два раза за работы в одной и той же
области, будучи лишь третьим из тех, кто вообще был награжден Нобелевской
премией дважды.
284
и сверхпроводящим состояниями) и изменяется с температурой, обращаясь в
нуль при Т=Ткр.
В 1959 г. Ивар Живер, инженер из исследовательской лаборатории фирмы
"Дженерал электрик", изучал явление "туннелирования". Этот термин
применяется для обозначения проникновения частицы через область, которую,
согласно классическому закону сохранения энергии, она не могла бы пройти
*. Для электронов в металле такую область создает тонкая пленка изолятора
между двумя металлическими образцами; с системами подобного типа и
работал Живер. В то время он слушал курс физики в Ренселерском
политехническом институте. Ознакомившись с теорией БК.Ш, Живер понял, что
эффект туннелирования можно использовать как инструмент для изучения щели
в энергетическом епектре электронов сверхпроводника. Его исследования в
этой области дали большие результаты, и в 1973 г. Живер стал одним из
лауреатов Нобелевской премии по физике.
В 1961 г. студент-дипломник Кембриджского университета Брайан Д.
Джозефсон теоретически показал, что через достаточно тонкие пленки могут
туннелировать не только отдельные электроны, но и электронные пары. Это
обстоятельство должно привести к трем новым эффектам.
1. Через пленку может протекать сверхпроводящий ток, то есть ток при
нулевом напряжении на пленке. Максимальная величина такого тока должна
быть очень чувствительна к величине магнитного поля, приложенного в
плоскости пленки, и быстро уменьшаться (вначале) с ростом поля. 2. Если к
пленке приложено постоянное напряжение V, то в дополнение к постоянному
1 Это явление есть следствие волновых свойств частиц (см. Тригг Дж,,
Решающие эксперименты, М., "Мир", 1974), и в частности того
обстоятельства, что волновая функция не обращается полностью в нуль в
областях, где кинетическая энергия в представлении классической механики
отрицательна. Этот эффект аналогичен полному внутреннему отражению, как,
например, при распространении электромагнитных волн микроволнового
диапазона, описанном в статье Брейди Дж. Дж., Брика Р О. и Пирсона М. Д.
(см. Journal of the Optical Society of America, 50, 1080, 1960) [или при
распространении света (см. Ландсберг Г. С., Оптика, М., "Наука", 1976). -
Ред.]. В качестве наглядной демонстрации явления можно Использовать волны
на поверхности воды в сосуде.
285
току должен возникнуть переменный ток с частотой v = 2eV/h. 3. И
наоборот, если приложенное напряжение, кроме постоянной составляющей,
содержит также переменную с частотой v, то зависимость постоянного
напряжения от тока должна быть иной. В частности, должны существовать
области с нулевым сопротивлением (т. е. области, где ток может изменяться
при постоянном напряжении). Они возникают при значениях Vn = = nhv/2e (ti
- целое число, е - заряд электрона), и их величина зависит от амплитуды
переменного напряжения. Все предсказанные эффекты, а также некоторые
родственные им были обнаружены и исследованы в последующие четыре года в
многочисленных эксперимент тах, проведенных различными учеными (в том
числе и Живером). В 1973 г. Джозефсон тоже стал одним из лауреатов
Нобелевской премии по физике.
В этой главе рассмотрены эксперименты Живера, который испол!ьзовал эффект
туннелирования для изучения сверхпроводимости. Кроме того, описаны
эксперименты по проверке теоретических предсказаний Джозс-фсона и
изложены некоторые следствия этих эффектов.
Роль туннелирования в проводимости через контакт между металлами была
осознана, по крайней мере качественно, довольно давно. Живер и Карл
Мегерле в статье в журнале The Physical Review в 1961 г., подробно
описывая свою работу с сверхпроводниками, отмечали: "Представление о том,
что частицы могут проникать через энергетические барьеры, существует с
тех пор, как возникла квантовая механика... Давно известно, что благодаря
квантовомеханическому туннельному эффекту электрический ток может
протекать между двумя образцами металла, разделенными тонкой пленкой
диэлектрика *. Теоретические расчеты впервые были проделаны [в 1933 г.]
[Арнольдом] Зоммерфельдом и [Гансом] Бете". Эффект изучался также и
экспериментально, в основном Рагнаром Хольмом с сотрудниками, которые
