2.2. Элементы Джозефсона

Эффект Джозефсона (ЭД) заключается в протекании сверхпроводящего тока через тонкий слой диэлектрика (или металла в несверхпроводящем состоянии), разделяющего два сверхпроводника (так называемый контакт Джозефсона (КД)). Он был предсказан английским физиком Б. Джозефсоном в 1962 г. и экспериментально обнаружен американскими физиками П. Андерсоном и Дж. Роуэллом в 1963 г.

Механизм ЭД обусловлен тем, что электроны проводимости, объединённые в пары, проходят через тонкий слой диэлектрика (обычно плёнку оксида металла исходного металлического сверхпроводника толщиной ~1 нм), благодаря туннельному эффекту. Сверхтекучесть электронов проводимости возникает при низких температурах в связи с тем, что образуются связанные пары электронов с противоположными спинами, обладающие суммарным нулевым значением спина.

Если ток через слой диэлектрика не превышает определённого значения, называемого критическим, то падение напряжения на КД отсутствует (стационарный ЭД). При больших по сравнению с критическим токах на КД возникает падение напряжения U, и он излучает электромагнитные волны (нестационарный ЭД). Частота  этих волн определяется соотношением

 = 2еU/h,

где e – заряд электрона , h - постоянная Планка.

Излучение обусловлено тем, что объединённые в пары электроны при переходе через КД приобретают избыточную по отношению к энергии их основного состояния энергию 2еU. Единственная возможность для такой пары вернуться в исходное основное состояние – это излучить квант электромагнитной энергии

h = 2еU.

Существует и обратный эффект: если поместить КД в СВЧ электромагнитное поле, то при достижении на нём напряжения с амплитудой

U = h/2е

между двумя сверхпроводниками потечёт ток, проявляющийся в виде скачка на вольтамперной характеристике такого КД. Аналогичные эффекты наблюдаются также в так называемых слабосвязанных сверхпроводниках, т.е. сверхпроводниках, соединённых тонкой перемычкой (микромостиком или точечным контактом).

КД используются для создания быстродействующих элементов логики и памяти ЭВМ, называемых элементами Джозефсона, а также ряда других устройств. Использование КД в цифровых устройствах основано на представлении единицы (бита) информации электрическим током, циркулирующим в сверхпроводящем контуре. КД служат для управления этим током (его генерации, уничтожения или переключения направления).

Примером простейшей логической ячейки с управляемым КД является туннельный криотрон. Конструктивно такая ячейка выполнена в виде двух шин (рис. 2.4, а): управляющей и шины вентиля, содержащей КД. Действие ячейки основано на изменении критического значения силы тока через КД магнитным полем, создаваемым током, протекающим через управляющую шину (управляющим током).

В отсутствие управляющего тока критический ток превышает силу тока I_в в шине вентиля. В этом случае напряжение на КД и, следовательно, сигнал на выходе ячейки (рис. 2.4, б) отсутствуют. При подаче управляющего тока критический ток понижается до значения, меньшего I_в,что приводит к появлению напряжения на КД и выходного сигнала. Через согласованную линию выходной сигнал с ячейки поступает в нагрузку. При этом согласованная линия может служить управляющей шиной для других логических элементов.

Ячейка памяти с неразрушающим считыванием информации (рис. 2.5) содержит два КД в запоминающем контуре и один в цепи считывания. Запись информации в такую ячейку осуществляется путем последовательной подачи токов в разрядную шину (выбор ячейки) и шину записи (запись логических «0» или «1»). При этом в зависимости от направления тока в шине записи сверхпроводящий ток, возникающий в контуре, циркулирует либо по часовой стрелке (записана логическая «1»), либо против часовой стрелки (записан логический «0»). При считывании информации токи подаются в разрядную шину и шину считывания, причем сигнал в цепи считывания (напряжение, снимаемое с КД в цепи считывания) появляется только в том случае, когда ток в контуре циркулирует по часовой стрелке.

Основными сверхпроводящими материалами для создания КД и устройств на их основе являются свинец и его сплавы, а также ниобий. Последний отличается высокой механической прочностью, химической стабильностью и служит для создания высококачественных и надёжных КД. В качестве разделительных материалов используются оксидные плёнки сверхпроводников либо сверхтонкие прослойки полупроводниковых материалов или металлов в нормальном (несверхпроводящем) состоянии. Весьма перспективны для создания КД синтезированные в 1986 – 87 гг. сверхпроводящие керамические материалы, обладающие критической температурой 100 К и выше. Предполагается получение соединений, переходящих в сверхпроводящее состояние при температурах, близких к 300 К. Это значительно расширяет область практического применения ЭД.

Элементы Джозефсона обладают рекордно высоким быстродействием (10 пс) при весьма малой энергии, потребляемой при переключении (10^–18 Дж). На их основе разрабатываются сверхскоростные импульсные и логические устройства, БИС, ЭВМ и т.д.