Josephsonin ilmiö

Josephsonin ilmiö on fyysikko Brian David Josephsonin 1962 keksimä, toisiinsa yhdistettyjä suprajohteita koskeva ilmiö. Suprajohteet voidaan yhdistää toisiinsa joko eristekerroksen tai ei-suprajohtavassa tilassa olevan metallin, eli normaalimetallin välityksellä. Josephsonin ilmiöön perustuvia liitoksia kutsutaan usein Josephson-liitoksiksi (). Tällaisessa Josephsonin liitoksessa suprajohteiden voi kulkea supravirta, vaikka suprajohteiden välillä ei olisikaan jännitettä.   Tämä ilmiö tunnetaan nimellä tasavirran Josephsonin ilmiö.

Jos taas suprajohteiden välinen jännite V pidetään vakiona, kulkee liitoksen kautta sinimuotoisesti vaihteleva supravirta, jonka taajuus on , missä  on alkeisvaraus ja  on Planckin vakio. Tämä ilmiö tunnetaan nimellä vaihtovirran Josephsonin ilmiö. Koska taajuus  ja jännite  ovat tarkasti mitattavissa, voidaan ilmiön avulla avulla määrittää alkeisvarauksen ja Planckin vakion suhde erittäin tarkasti. Tunneli-ilmiö on tunnettu 1950-luvulta asti, mutta suprajohtavan tunneloitumisen ennusti Brian Josephson vuonna 1962. Jos suprajohteet ovat yhteydessä toisiinsa kahden Josephsonin liitoksen välityksellä, eri reittiä pitkin kulkevat supravirrat voivat interferoida. Interferenssi voidaan muuttaa konstruktiivisesta destruktiiviseksi muuttamalla reittien muodostaman silmukan läpi kulkevaa magneettivuota, mikä vaikuttaa eri reittejä pitkin kulkevien virtojen vaihe-eroon.  

Josephsonin liitos voidaan toteuttaa joko niin sanottuna pistekontaktina teräväkärkisen suprajohtavan ruuvin koskettaessa toista suprajohdetta, tai kahden suprajohteen välisellä oksidi- tai normaalimetallikerroksella. Josephsonin ilmiöön perustuvilla laitteilla on mahdollista mitata hyvin pieniä jännitteitä (pienimmillään 10-15 volttia) ja magneettikenttien muutoksia (10-13 teslan tarkkuudella). 

Josephsonin ilmiö on kvanttitason sähköfysiikan ilmiö. Sitä käytetään uudessa voltin määritelmässä. Standardin mukaan Kvanttitietokoneen eräs toteutusvaihtoehto on käyttää Josephsonin ilmiöön perustuvia rakenteita ja/tai komponentteja. , Kvanttitietokoneen fyysinen kubitti voidaan toteuttaa yhdellä tai kahdella Josephsonin liitoksella.

Josephsonin ilmiöön perustuvia rakenteita ja komponentteja

Josephsonin ilmiöön perustuva liitos voidaan toteuttaa seuraavilla rakenteilla:

 SIS (suprajohde-eriste-suprajohde, )
 SNS (suprajohde-normaalimetalli-suprajohde, )
 SINIS (suprajohde-eriste-normaalimetalli-eriste-suprajohde)
 Raerajat (), jos kyseessä ovat niin sanotut korkean lämpötilan suprajohteet
 Kaksi toisiinsa materiaalikannaksella kytkettyä suprajohdetta. Tämä rakenne tuli mahdolliseksi tarkan etsaustekniikan kehittymisen myötä. Rakenteessa suprajohdealueet ovat samassa tasossa, kun tavallisimmin ohutkalvojen kasvatukseen perustuvalla valmistustekniikalla suprajohtavat ja muut tarvittavat kalvot on sijoitettu päällekkäin. 

Josephsonin ilmiöön perustuva jännitestandardikomponentti voidaan rakentaa joko SIS-, SNS- tai SINIS-liitoksista, jotka on kytketty toisiinsa esimerkiksi aaltoputkilla tai siirtolinjoilla.

Suprajohtavana materiaalina voidaan käyttää esimerkiksi niobiumia, eristeenä alumiinioksidia ja ei-suprajohtavana materiaalina alumiinia tai kuparia. Suorituskykyisimpien esimerkiksi vähäkohinasimpien materiaalien kehitystyötä tehdään jatkuvasti.

Josephson-liitoksia voidaan valmistaa esimerkiksi piikiekolle tai muulle tasaiselle alustalle ohutkalvotekniikalla käyttäen hyväksi mahdollisesti muitakin tarvittavia mikropiirien valmistus-, liitos-, pakkaus- ja kotelointimenetelmiä. 

Jäähdytys-, ohutkalvojen valmistus- ja materiaalitekniikan kehittymisen myötä Josephsonin ilmiön hyödyntäminen on tullut teollisesti mahdolliseksi.

Suomessa Josphsonin ilmiöön perustuvia rakenteita ja komponetteja on tutkittu ja valmistettu pienmittakaavassa VTT:llä 1970-luvulta lähtien. Niitä on käytetty muun muassa jännitestandardin, herkkien magnetometrien, lääketieteellisen magnetoenkefalografia (MEG) -kuvantamislaitteen, ja kvanttitietokoneiden kehittämiseen ja rakentamiseen.

Lähteet

Aiheesta muualla 

Suprajohtavuus

Suprajohtavuus