• Artykuły
  • Forum
  • Ciekawostki
  • Encyklopedia
  • Tunelowanie Josephsona

    Przeczytaj także...
    Ładunek elektryczny elementarny — podstawowa stała fizyczna, wartość ładunku elektrycznego niesionego przez proton lub (alternatywnie) wartość bezwzględna ładunku elektrycznego elektronu, która wynosi:Sygnał to abstrakcyjny model dowolnej mierzalnej wielkości zmieniającej się w czasie, generowanej przez zjawiska fizyczne lub systemy. Tak jak wszystkie zjawiska może być opisany za pomocą aparatu matematycznego, np. poprzez podanie pewnej funkcji zależnej od czasu. Mówimy, że sygnał niesie informację lub też umożliwia przepływ strumienia informacji.
    Efekt Meissnera (lub efekt Meissnera-Ochsenfelda) – zjawisko zaniku pola magnetycznego (wypchnięcia pola magnetycznego) z nadprzewodnika, gdy przechodzi on w stan nadprzewodzący. Zjawisko zostało odkryte w 1933 roku przez Walthera Meissnera i Roberta Ochsenfelda.
    Złącze Josephsona

    Tunelowanie Josephsonazjawisko fizyczne postulowane przez Briana Josephsona (Nagroda Nobla z fizyki w 1973 roku) w 1962 roku, a potwierdzone doświadczalnie w 1963. Efekt ten polega na tunelowaniu par Coopera między dwoma nadprzewodnikami na granicy nadprzewodnik-izolator-nadprzewodnik lub nadprzewodnik-obszar normalny-nadprzewodnik (tzw. złącze Josephsona). Nadprzewodniki rozdzielone są cienką warstwą wykonaną z dielektryka (izolatora) lub metalu nienadprzewodzącego o grubości nanometrów.

    Para Coopera jest to układ dwóch fermionów (np. elektronów) oddziałujących ze sobą poprzez drgania sieci krystalicznej - fonony, opisany przez Leona Coopera i będącym elementem teorii BCS nadprzewodnictwa niskotemperaturowego. Fermiony tworzące parę Coopera mają połówkowe spiny (które są skierowane w przeciwnych kierunkach); jednak wypadkowy spin układu jest całkowity - czyli para Coopera jest bozonem. Elektrony tworzące parę Coopera są opisywane przez funkcje falowe z przeciwnymi wektorami falowymi. W 1956 roku Leon Cooper wykazał, że prąd elektryczny w nadprzewodnikach jest przenoszony nie przez pojedyncze elektrony, lecz pary związanych elektronów, zwane parami Coopera.Zjawisko tunelowe zwane też efektem tunelowym – zjawisko przejścia cząstki przez barierę potencjału o wysokości większej niż energia cząstki, opisane przez mechanikę kwantową. Z punktu widzenia fizyki klasycznej stanowi paradoks łamiący klasycznie rozumianą zasadę zachowania energii, gdyż cząstka przez pewien czas przebywa w obszarze zabronionym przez zasadę zachowania energii.

    Natężenie prądu płynącego przez złącze jest opisywane przez pierwsze prawo Josephsona:

    gdzie: φ – różnica faz funkcji falowych par Coopera po przeciwnych stronach złącza, I1 – parametr stały dla danego złącza zależny od temperatury złącza i bardzo silnie zależny od zewnętrznego pola magnetycznego.

    Jeżeli dodatkowo na złączu przyłoży się napięcie U(t), faza φ będzie się zmieniać zgodnie z równaniem (drugie prawo Josephsona):

    SQUID (ang. superconducting quantum interference device) − jedno z najczulszych urządzeń służących do pomiaru natężenia pola magnetycznego. Wykorzystywany jest efekt kwantyzacji strumienia indukcji magnetycznej w pierścieniu nadprzewodzącym i efekt Josephsona. Zmiana strumienia pola magnetycznego obejmowanego przez SQUID wywołuje zmianę natężenia prądu przepływającego przez urządzenie oraz zmianę natężenia prądu indukowanego w pierścieniu. Dokładność współczesnych modeli wynosi ~5 aT (5 ⋅ 10 T). Dwa główne typy SQUID-ów to: DC i RF (zwany też AC).Zjawisko fizyczne – przemiana, na skutek której zmieniają się właściwości fizyczne ciała lub obiektu fizycznego.

    gdzie:

    Tranzystor – trójelektrodowy (rzadko czteroelektrodowy) półprzewodnikowy element elektroniczny, posiadający zdolność wzmacniania sygnału elektrycznego. Nazwa urządzenia wywodzi się od słów transkonduktancja (transconductance) z "półprzewodnikowym" przyrostkiem -stor jak w warystor (varistor).Nadprzewodnictwo – stan materiału polegający na zerowej rezystancji, jest osiągany w niektórych materiałach w niskiej temperaturze.
    h kreślone – stała Diraca, ładunek elementarny.

    Efekt Josephsona jest wykorzystywany w SQUIDzie. Zjawisko Josephsona znajduje zastosowanie w przyrządach do pomiaru bardzo słabych pól magnetycznych (m.in. wywołanych akcją serca — magnetokardiografia) i bardzo słabych napięć, do detekcji i przemiany częstotliwości mikrofalowych, w bolometrii i w termometrii szumowej, a także do realizacji wzorca jednostki napięcia.

    Stała Plancka (oznaczana przez h) jest jedną z podstawowych stałych fizycznych. Ma wymiar działania, pojawia się w większości równań mechaniki kwantowej.Dielektryk, izolator elektryczny – materiał, w którym bardzo słabo przewodzony jest prąd elektryczny. Może to być rezultatem niskiej koncentracji ładunków swobodnych, niskiej ich ruchliwości, lub obu tych czynników równocześnie.

    Działanie elementów wykorzystujących zjawisko Josephsona opiera się na efekcie Meissnera: przy pewnej wartości natężenia prądu w jednym z nadprzewodników pole magnetyczne wywołane tym prądem niszczy stan nadprzewodzący w drugim metalu. Elementy tego rodzaju charakteryzują się bardzo krótkim czasem przełączenia i małym poborem mocy. Logicznie zlącza Josephsona są równoważne tranzystorom. Stosuje się je w dużych, złożonych układach scalonych do przyspieszania przekazywania sygnałów poprzez efekt tunelowania elektronów.

    Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki, to uznawane za najbardziej prestiżowe wyróżnienie za wybitne osiągnięcia naukowe. Przyznawana jest ona od 1901 roku przez Fundację Noblowską.Brian David Josephson (ur. 4 stycznia 1940 w Cardiff) – brytyjski fizyk, laureat nagrody Nobla w dziedzinie fizyki z 1973 (wraz z Esakim i Giaeverem) za swoją pracę nad teorią nadprzewodnictwa, w szczególności za odkrycie tzw. efektu Josephsona.

    Przeszkodą w stosowaniu złącz Josephsona na szeroką skalę są temperatury działania bliskie zeru bezwzględnemu. Wciąż trwają prace nad ich rozwojem motywowane ich szybkością: elementy wykorzystujące zjawisko Josephsona są nawet około stukrotnie szybsze od tradycyjnych krzemowych elementów półprzewodnikowych.

    Układ scalony (ang. integrated circuit, chip, potocznie po polsku kość) – zminiaturyzowany układ elektroniczny zawierający w swym wnętrzu od kilku do setek milionów podstawowych elementów elektronicznych, takich jak tranzystor, dioda półprzewodnikowa, opornik i kondensator.Nagroda Nobla – wyróżnienie przyznawane za wybitne osiągnięcia naukowe, literackie lub zasługi dla społeczeństw i ludzkości, ustanowione ostatnią wolą fundatora, szwedzkiego przemysłowca i wynalazcy dynamitu – Alfreda Nobla.

    Przypisy[ | edytuj kod]

    1. Andrzej Szewczyk, Andrzej Wiśniewsi, Roman Puźniak, Henryk Szymczak: Magnetyzm i nadprzewodnictwo. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 2012, s. 257. ISBN 978-83-01-17176-6.




    Reklama

    Czas generowania strony: 0.019 sek.