6.2 Ефект Джозефсона

Явище тунелювання куперовських пар електронів через тонкий шар діелектрика, що супроводжується переносом надпровідного струму, називається ефектом Джозефсона (рис. 6.1, а, б).

При ефекті Джозефсона, крім протікання надпровідного струму:

1. спостерігається унікальна залежність струму від зовнішнього магнітного поля (рис. 6.2);

2. джозефсонівський елемент може служити джерелом електромагнітного випромінювання внаслідок прискорення пар в полі діелектрика і набуття при цьому ними додаткової енергії, від якої в надпровіднику можна “позбавитись” тільки шляхом випромінювання кванта енергії;

3. особлива (ступінчаста) ВА-характеристика джозефсонівського елементу при дії зовнішнього опромінення (значить, він - чутливий детектор).

Застосування ефекту – криоелектроніка (електроніка, що використовує низькі температури) – датчики магнітного поля, електронні ключі, генератори ЕМ хвиль.

6.3 Феромагнетизм та його спінова природа

При розгляді магнетизму (див. “Конспект лекцій”, ч.2) відмічалось, що феромагнетики складаються із великої кількості малих (але макроскопічних) областей – доменів. Кожний домен спонтанно намагнічений до насичення, але магнітні моменти окремих доменів направлені по-різному, тому при відсутності зовнішнього магнітного поля повний магнітний момент феромагнетика дорівнює нулю. Домени спостерігаються експериментально за допомогою феромагнітного порошку, що осідає на границях між доменами.

6.3.1 Основні властивості феромагнетиків (фм)

1. Магнітна проникність  ФМ залежить від напруженості H зовнішнього магнітного поля (рис. 6.3, а), а магнітна індукція .

2. Наявність остаточного магнетизму, тобто здатність зберігати стан намагніченості при відсутності намагнічуючого поля. Це – результат магнітного гістерезису, що спостерігається при перемагнічуванні феромагнетика. Замкнена крива залежності B(H) зображена на рис. 6.3, б називається петлею гістерезису.

3. Площа петлі гістерезиса пропорційна енергії, що затрачена на перемагнічування феромагнетика.

4. Існує температура, при якій феромагнетик втрачає свої феромагнітні властивості (точка Кюрі).

6.3.2 Сили обмінної взаємодії. Спінова природа феромагнетизму

Класична теорія не пояснює феромагнетизм. Згідно квантової теорії стан спонтанного намагнічування феромагнетиків зумовлений обмінною взаємодією, що має чисто квантовий характер і пов’язана із обміном атомів електронами, які відносяться до тотожніх частинок. Ці частинки мають однакові фізичні властивості і при перестановці їх місцями стани системи не можливо розрізнити ні в якому експерименті. Додаткова енергія (енергія обмінної взаємодії) зв’являється внаслідок перерозподілу електронної густини при зближенні атомів. Якщо вона має знак мінус, то сумарна енергія системи понижується. Коли атоми феромагнетика утворюють кристалічну гратку, то їх валентні електрони стають спільними, а хвильові функції електронів недобудованих оболонок сусідніх атомів перекриваються. Внаслідок цього обмінна взаємодія стає значною.

Мірою обмінної енергії є обмінний інтеграл J. Він визначає імовірність обміну електронів місцями, при якому електрон 1 переходить від атома А до атома В, а електрон 2 – від атома В до атома А. Теорія показує, що при (а – параметр кристалічної гратки, 2R – діаметр незаповненої електронної оболонки) обмінний інтеграл J>0. Якщо J>0, то обмінна енергія буде від’ємною, а енергія системи – зменшується вцілому, якщо спіни електронів, що беруть участь в утворенні обмінного зв’язку є паралельними.

Це і є необхідною умовою феромагнетизму, поскільки саме паралельне розташування спінів магнітних моментів веде до утворення доменів (областей спонтанного намагнічування). Тобто теорія передбачає зв’язок орієнтації спінів і величини та знаку обмінного інтегралу.

Паралельне

р озташування    J>0  E_обм<0

спінів s

Значить, знак обмінного інтегралу – критерій прояву феромагнетизму.