Андрей Варламов - Физика повседневности. От мыльных пузырей до квантовых технологий

За это открытие в 1973 году Брайан Джозефсон был удостоен Нобелевской премии по физике. Почему такая престижная награда досталась за «простую» демонстрацию того, что сверхпроводящий ток обладает тем же свойством, что и обычный? Во-первых, оказалось совершенно неожиданным, что куперовские пары туннелируют сквозь перемычку не разрываясь. Во-вторых, Джозефсон сумел предсказать совершенно замечательные свойства изобретенного им прибора. Их описание выходит за рамки этой книги, но одно из его применений мы просто назовем: это измерение с помощью квантового магнитометра сверхслабых магнитных полей, возникающих при протекании крови в сердце, что позволяет на ранней стадии диагностировать сердечные заболевания.

Самый простой квантовый магнитометр состоит из сверхпроводящего кольца с тончайшей диэлектрической перемычкой (илл. 3a). Представим себе, что это кольцо помещают во внешнее магнитное поле, которое вначале, как и ток в контуре, равно нулю. Тогда поток внутри кольца тоже равен нулю. Начнем увеличивать внешнее поле. Пока поле не слишком велико, проходящий через кольцо общий магнитный поток Φ должен оставаться неизменным и равным нулю (см. главу 25, «Квантование магнитного потока в сверхпроводящем кольце»). Для этого необходимо, чтобы создаваемый протекающим по кольцу током I магнитный поток Φ I в каждый данный момент компенсировал изменение внешнего потока Φ внеш . По мере возрастания магнитного поля этот ток увеличивается вплоть до достижения критического значения I к (за счет выбора сопротивления диэлектрической перемычки можно добиться того, что это произойдет при Φ внеш = Φ 0 /2. Здесь Φ 0 = h/2e = 2,07∙10 -15Вб – так называемый квант магнитного потока).

3. a.Сверхпроводящее кольцо с джозефсоновским контактом помещается во внешнее магнитное поле B →. b.При монотонном росте внешнего потока Φ внеш = BS полный магнитный поток Φ меняется скачками. c.Величина I сверхпроводящего тока не может превышать критическое значение I к , определяемое свойствами контакта, и, следовательно, изменяется пилообразно. Ток меняет знак, когда сверхпроводимость в контакте разрушается (здесь мы рассматриваем случай, когда критическое значение тока I к достигается при увеличении внешнего потока на Φ 0 /2)

Как только ток станет равным I к , сверхпроводимость в месте слабой связи разрушится и в контур войдет квант потока Φ 0 . Общий магнитный поток возрастет на один квант. Такое изменение возможно только благодаря разрушению сверхпроводимости в области перемычки, что и делает устройство настолько необыкновенным!

А что произойдет с током? Его величина останется прежней, но направление изменится на противоположное. Действительно, если до вхождения кванта потока Φ 0 ток I к полностью экранировал внешний поток, то после его вхождения он должен усиливать внешний поток Φ 0 /2 до значения Φ 0 . Поэтому в момент вхождения кванта потока направление тока скачком меняется на противоположное.

При дальнейшем увеличении внешнего поля ток в кольце начнет уменьшаться, сверхпроводимость в кольце восстановится и поток внутри кольца будет оставаться равным Φ 0 . Ток в контуре обратится в ноль, когда внешний поток также станет равным Φ 0 , а затем он начнет течь в обратном направлении. Наконец, при значении внешнего потока 3Φ 0 /2 ток опять станет равным I к , сверхпроводимость разрушится, войдет следующий квант потока и т. д. (илл. 3с).

Ступенчатый характер зависимости тока как функции магнитного потока позволяет измерять значение внешнего поля с необычайной точностью. Однако остается проблема измерения тока в кольце с туннельным контактом.

4. Принцип действия СКВИД. Магнитометр состоит из сверхпроводящего кольца с двумя джозефсоновскими контактами. Ток I , протекающий в СКВИД, разделяется на две ветви. Если устройство поместить во внешнее магнитное поле B , то эти два тока интерферируют, что приводит к разнице потенциалов между туннельными контактами, измерение которой позволяет узнать значение поля