Josephsoni efekt

Ajalugu

1962. aastal püstitas 22-aastane Brian Josephson märkimisväärse hüpoteesi, et kaks õhukese isoleeriva kihiga eraldatud ülijuhti peaksid tekitama lõputult liikuva elektrivoolu, nii et pinget ühendusele rakendama ei pea. Ja kui rakendada piiratud (alalisvoolu) pinge, siis tekiks vahelduvvool.
Räägitakse, et Brian Josephson tegi oma arvutuse (1962) osana Phil Andersoni kodutöö probleemi lahendamisest. Teatakse, et Anderson oli 1964.–1962. aastal Cambridge'is õppejõud ja pidas seal loengusarja, milles ta mainis ülijuhtide vahelise tunnelleerumise probleemi, mille Josephson kohe ära lahendas. Algselt oli idee vastu John Bardeen, kes arvas, et Cooperi paaride tekkimine ei ole võimalik siirde piirkonnas. Varajased vaidlused pöörlesid enamjaolt tunnelleerumise protsessi ümber. Tänapäeval me aga teame, et Josephsoni efekt esineb mitmesugustes olukordades, kui kaks ülijuhtu on eraldatud mingisuguse tõkkega, mis võib olla isoleeriv kiht, tavaline metall või väike kitsendus.

Rakendused

Josephsoni uuritud siirded olid tunnelleerumisel põhinevad siirded. Nendes siiretes on barjääriks õhuke isolaatori kiht. Tänapäeva on võimalik ehitada ka muid tüüpi siirdeid, mida nimetatakse üldiselt nõrkadeks ühendusteks või siireteks. Tänapäeval ongi mõiste "Josephsoni siire" kasutusel üldiselt nende nõrkade ühenduste nimetamiseks. On olemas mitmesuguseid struktuure Josephsoni siirde jaoks, näiteks ülijuhtjuht-metall siire (SNS) ja veelgi keerukamad struktuurid (SNIS, SINIS jne.).
Josephsoni efekt pakub kõvasti kõneainet nii teoreetilises kui ka eksperimentaalses füüsikas. Seda füüsikalist fenomeni kasutatakse ka väga paljudes praktilistes rakendustes.

SQUID

Josephsoni efekti kasutatakse ära väga hästi SQUID-ides (ülijuhtivad kvantinterferentsseadmed), mille abil tehakse kõige täpsemaid magnetvoo kvandi  mõõtmisi. Josephsoni efekt on magnetvälja väärtuse suhtes väga tundlik, sest ülijuhtide faasi variatsiooni saab siduda magnetvooga. Seejärel saab seda suurt tundlikkust kasutada väga täpsete magnetvälja mõõteseadmete (SQUID-ide) ehitamiseks. Need seadmed on seni kõige täpsemad vahendid magnetvälja mõõtmiseks.
Alalisvoolu SQUID koosneb kahest Josephsoni siirdest. SQUID on äärmiselt mitmekülgne vahend. Esiteks on seda kasutatud magnetväljade väga väikeste variatsioonide mõõtmiseks pikka aega. Lisaks võib see olla kasutusel koos välise vooluahelaga madala signaali galvanomeetri, voltmeetri ja oommeetrina.
Tänu nende tundlikkusele ja mitteinvasiivsusele leidsid SQUIDid palju rakendust meditsiinilises diagnostikas. Rakendades organismis biovoolude ajel tekkivaid kaduvväikesi magnetvälju, on loodud aju- ja südamehaiguste diagnostikaseadmeid. SQUID-magnetomeetreid rakendatakse samuti geoloogias, adumaks muistseid Maa magnetvälja muutusi kivimites. USA merevägi tarvitab SQUID-magnetomeetreid õhinal sukeldunud allveelaevade otsinguks.

Metroloogia

Vahelduvvoolu Josephsoni efekti saab ära kasutada pinge-sagedusmuundurina. Selle kõige tähelepanuväärsem funktsioon on see, et see sõltub ainult universaalsetest konstantidest. Kuna keskkonnamuutujad (magnetvälja, ristmike mõõtmed jne) ei mõjuta mõõtmisi kuidagi, siis saab seda mõõta eri kohtades erinevate inimeste poolt. Veelgi enam saab seda kasutada väga täpsete sageduse ja pingete mõõtmiste seadmetes. Kuna sagedus on juba täpselt ja praktiliselt määratud tseesiumstandardiga, kasutatakse Josephsoni efekti, et defineerida väga täpselt üks volt.

Krütron

Juba enne 1962. aastat olid teadlased juba unistanud loogikavõrgustikust, mis põhineks ülijuhtidel. Esimene läbimurre selles valdkonnas oli krüotroni areng. See seade põhineb ülijuhtiva faasi üleminekul normaalsesse ning vastupidi ja seda juhitakse magnetväljaga. Selle lähenemisviisi peamine probleem oli suhteliselt pikk lülitusaeg (∼ 10µs) ülijuhtiva ja normaalse oleku vahel. Lahendus leiti varsti pärast 1967. aastal ilmunud Josephsoni artikli ilmumist. Läbimurdeks osutus nullpinge ja takistuslike olekute vahelise ülemineku kasutamine tunnelsiirdes. Matisoo ehitas ka teerajaja Josephsoni digitaalse vooluahela elemendi, flip-flopi, mille lülitusaeg oli vähem kui 1 ns. Kahjuks aga ei saanud nendest arvutitest asja. Josephsoni arvuti tappis tehnoloogia nimega mikroprotsessor. Nagu paljud teised eksponentsiaalsed kasvud, oldi ka Moore'i seadust algselt alahinnatud. 1985. aastal oli mikroprotsessori areng nii kiire ja hästi prognoositav, et kõik samaaegsed tehnoloogiad olid praktiliselt ära langenud.

SIS – ülijuhtidest koosnev siire

Nendel seadmetel on lai valik rakendusi näiteks elektromagnetilise kiirguse kõrge tundlikkusega detektorid, magnetomeetrid, suure kiirusega digitaalse ahela elemendid ja kvantarvutid. Ülijuht-isolaator-ülijuhi siire ehk SIS on elektrooniline seade, mis koosneb kahest ülijuhist, mis on eraldatud väga õhukese isolatsioonimaterjali kihiga. Vool läbib siiret tunnelleerumise protsessi tõttu. Kuna nende tundlikkus on üks suuremaid vahemikus 100–1000 GHz, siis kasutatakse neid palju raadioastronoomias. Samuti kasutatakse neid ühefootonidetekteerimisseadmetes, selles rakenduses töötab seade väiksel alalisvoolu pingel. Ülijuhis absorbeerunud footon purustab Cooperi paarid ja loob kvaasiosakesed. Kvaasiosake tunnelleerub läbi siirde rakendatava pinge suunas ja sellest tulenev tunnelvool on proportsionaalne fotoonenergiaga. SIS-seadmeid kasutatakse footonite sageduse detektoritena, mis ulatuvad röntgenikiirgusest kuni infrapunani.