4.2. Слабосвязанные сверхпроводники

Упорядоченная структура с нулевой энтропией куперовских пар создается установлением во всем объеме строгих фазовых соотношений – фазовой когерентности. Макроскопическое СП состояние может быть описано общей волновой функцией

= n_s^1/2exp(j), (4.4)

фаза волновой функции, n_s - плотность куперовских пар.

n_s = ^*. (4.5)

Для n_s и существует соотношение неопределенности: n_s, т.е. в образце СП с фиксированным числом электронных пар абсолютное значение фазы волновой функции не определено n_s∞. Поэтому о фазе отдельного сверхпроводника говорить нельзя, но можно рассматривать соотношение фаз двух разных сверхпроводников.

У СП, которые находятся далеко друг от друга, фазы электронов в каждом из них меняются независимо друг от друга и соотношения фаз меняются хаотически. По мере сближения СП в области зазора происходит все большее перекрытие волновых функций, быстро затухающих в вакуумном зазоре. При зазоре 10 – 100 Å, т.е. меньше корреляционной длины, устанавливается стабильное соотношение фаз. В двух СП устанавливается когерентное состояние, и СП называются слабосвязанными. В качестве зазора может выступать оксид металла, т.е. диэлектрик.

Особенностью слабосвязанных СП является скачкообразное изменение фазы при переходе через область связи. В пределах СП фаза может меняться только непрерывно.

Через изолирующий слой возможно туннелирование куперовских пар. Такое туннелирование возможно без внешней разности потенциалов, в отличие от полупроводников, у которых туннелировние происходит только при наличии разности потенциалов.

При туннелировании СП пары импульс пары сохраняется, а на переходе нет падения напряжения. Туннельный СП ток имеет критическую плотность j_c, которая является характеристикой туннельного контакта.

Постоянный туннельный ток сверхпроводящих (S) связанных пар происходит при отсутствии напряжения на изолирующем барьере.

I_S = I_msin, (4.6)

где __, _ - фазы электронной волны слева и справа

от перехода, I_S = I_m, если ^_, а I_m – максимальное значение критического тока.

Это явление называется стационарным эффектом Джозефсона (Рис. 4.2.a).

Так как t_^e_U_ot +_, то при U_o = 0, _.

а б

Рис. 4.2. Стационарный (а) и нестационарный (б) эффекты Джозефсона

При постоянном напряжении на контакте U_o  0, в контакте возникает переменный ток частотой _ ^eU_o_. Это явление – нестационарный эффект Джозефсона (Рис. 2.4.б). Туннельный переход служит генератором или источником электромагнитного излучения с частотой f =^__^

fU_^e_h_^483 ^МГц_/мкВ.

Нестационарный эффект Джозефсона или нестационарное туннелирование может возникнуть, когда напряжение на переходе помимо постоянной содержит переменную составляющую U = U_o + U₁cost. Чтобы найти U,нужно продифференцировать  = t по t и, подставив  ^eU_, решить дифференциальное уравнение

(^e_)(U_ + U₁cost). (4.7)

Решение этого уравнения

 sint+^e_) U_t +_ (4.8)

Если в напряжении на переходе имеется только переменная составляющая (U_o = 0), то в сверхтоке будет присутствовать постоянная составляющая I_o = I_cj_o , зависящая от переменного сигнала (j_o - функция Бесселя нулевого порядка).

Это зависимость позволяет использовать туннельный переход в качестве детектора излучения миллиметрового и дальнего ИК диапазона.

В джозефсоновском туннельном переходе возможны и другие токи. Кроме рассмотренных токов куперовских пар возможен ток проводимости, связанный с разрывом куперовских пар. Такие не спаренные электроны называются квазичастицами, т.к. присутствие сверхпроводящего конденсата делает их свойства отличными от свойств электронов нормального металла. Квазичастичный ток можно характеризовать нормальной проводимостью G = R^-1, близкой к проводимости перехода в нормальном состоянии, т.е. туннельной проводимостью обычных электронов i_N.

Емкость между электродами джозефсоновского перехода приводит к току смещения i_D = C ^dUdt, если напряжение меняется со временем.

Флуктуационный ток i_F связан с флуктуациями различной природы: тепловой, дробовой, от наводок. Выражение для полного тока слобосвязанных сверхпроводников

i = i_S + i_N + i_D + i_F = i_csin + GU + C ^dUdt + i_F =

= I_csin+ G + C + i_F, (4.9)

так как U = ^_e,t.

Примеры конструктивных решений слабосвязанных СП приведены на рис. 4.3.

Рис. 4.3. Схемы слабосвязанных сверхпроводников.

Переход между сверхпроводящим и нормальным состояниями может быть использован для создания бесконтактных управляющих устройств. Примером такого устройства является криотрон (рис. 4.4):

Рис. 4.4. Фазовый криотрон.

Когда ток I создает поле Н < Н_с сопротивление Pb и Te равно «0». Если Н > Н_с сопротивление Pb и Te конечно и происходит как бы захлопывание клапана. Постоянная времени такого прерывателя 10^-9 с.

Конструктивно криотрон удобно делать пленочным: две металлических пленки, разделенные на пересечении изолятором, толщиной 10 нм (Рис. 4.3. ).