Ջոզեֆսոնի երևույթ

Ջոզեֆսոնի երևույթ, էլեկտրոննների կուպերյան զույգերի թունելացմամբ պայմանավորված գերհաղորդիչ հոսանքի անցումն է բարակ մեկուսիչ շերտի միջով, որը գտնվում է երկու գերհաղորդիչների միջև։ Այս հոսանքը կոչվում է Ջոզեֆսոնի հոսանք, իսկ գերհաղորդիչ-դիէլեկտրիկ-գերհաղորդիչ կառուցվածքը՝ Ջոզեֆսոնի անցում (), Ջոզեֆսոնի կոնտակտ, Ջոզեֆսոնի հանգույց, Գ-Դ-Գ անցում, Գ-Դ-Գ սենդվիչ։

Ջոզեֆսոնի երևույթը պատկանում է այսպես կոչված մակրոսկոպիկ քվանտային երևույթների շարքին, քանի որ երևույթի գոյությունը պայմանավորված է քվանտային երևույթներով (մասնավորապես՝ քվանտային թունելացմամբ), սակայն պրոցեսին միաժամանակ հազարավոր էլեկտրոններ են մասնակցում։ Երևույթը կոչվում է բրիտանացի ֆիզիկոս Բրայան Ջոզեֆսոնի անունով, ով առաջինն է տեսականորեն կանխատեսել երևույթը և ստացել դիէլեկտրիկի շերտով անցնող հոսանքի և կիրառված լարման մաթեմատիկական կապը։ Ջոզեֆսոնի տեսությունը բաղկացած է հիմնական երկու մասից՝ մեկը տեսականորեն ցույց է տալիս գերհաղորդիչների միջև տեղադրված բարակ դիէլեկտրիկական շերտով գերհաղորդիչ հոսանքի անցման հնարավորությունը, իսկ մյուս մասը՝ տարբեր դեպքերի համար մաթեմատիկական առնչությունների ստացումն է։

Պատմություն
1962 թվականին բրիտանացի ֆիզիկոս Բրայան Դավիդ Ջոզեֆսոնը, հիմնվելով գերհաղորդականության Բարդին-Կուպեր-Շրիֆերի տեսության վրա, ստացավ Ջոզեֆսոնի անցումներում հոսանքի և կիրառված լարման կապը ինչպես ստացիոնար, այնպես էլ ոչ ստացիոնար դեպքերի համար։ 1973 թվականին, Բ. Դ. Ջոզեֆսոնն արժանացել է նոբելյան մրցանակի՝ թունելային արգելքի միջով անցնող գերհաղորդիչ հոսանքների հատկությունների տեսական կանխատեսումների համար` հատկապես այն ֆենոմեններում, որոնք հայտնի են Ջոզեֆսոնի երևույթ անվամբ։

Դեռ 1932 թվականին գերմանացի գիտնականներ Մեյսները և Հոլմը լաբորատորիայում չափումներ կատարելուց հայտնաբերել էին, որ բարակ դիէլեկտրիկ շերտի դիմադրությունը զրոյանում է, երբ դրվում է գերհաղորդիչ մետաղների միջև, որի հետևանքուվ հնարավոր է դառնում գերհաղորդիչ հոսանքի (հոսանք առանց դիմադրության) անցումը դիէլեկտրիկի բարակ շերտով։ Փաստորեն, Ջոզեֆսոնի տեսության առաջին մասը էքսպերիմենտալ դիտվել էր վաղուց, սակայն տեսական բացատրություն ստացավ միայն 30 տարի հետո։

Տեսություն 
Ջոզեֆսոնի երևույթը բնութագրող հիմնական հավասարունմերն են

որտեղ -ն երկու գերհաղորդիչներում կուպերյան զույգերի ալիքային ֆունկցիաների փուլերի տարբերությունն է, V-ն՝ մեկուսչի երկու կողմերում պոտենցիալների տարբերությունը, J-ն հանգույցով անցնող հոսանքն է, իսկ q-ն մի գերհաղորդչից մյուսը թունելող լիցքակրի լիցքն է։ Քանի որ գերհաղորդիչներում հոսանքակիրները ոչ թե առանձին էլեկտրոններ են, այլ կուպերյան զույգեր, որոնք բաղկացած են երկուական էլեկտրոններից, ապա թունելող լիցքակրի մեծությունը տարրական լիցքի կրկնապատիկն է՝  ։ Ջոզեֆսոնի անցումը նկարագրող հավասարումներից հետևում է, որ անցման երկու կողմերում փուլերի տարբերությունը ժամանակից կախված որոշվում է հետևյալ օրենքով

Ջոզեֆսոնի հաստատուն երևույթ 
Եթե Ջոզեֆսոնի անցման երկու կողմերի միջև արտաքին լարում կիրառված չէ, ապա ժամանակի ընթացքում փուլերի տարբերությունը մնում է հաստատուն։ Եթե ժամանակի սկզբնապահին այդ տարբերությունը զրոյից տարբեր է, ապա անցումով կանցնի ոչ զրոյական հաստատուն հոսանք, քանի որ հոսանքի արտահայտության մեջ մտնող սինուսը կլինի զրոյից տարբեր։ Այսպիսի հոսանքի անցումը Ջոզեֆսոնի անցումով հայտնի է Ջոզեֆսոնի հաստատուն երևույթ անվամբ ()։

Եթե Ջոզեֆսոնի անցման վրա կիրառված արտաքին լարումը հաստատուն է՝  , ապա անցումով անցնող հոսանքը կլինի

Քանի որ  հարաբերությունը շատ փոքր է, հոսանքը ժամանակի ընթացքում կկատարի շատ արագ տատանումներ, և անցումով անցնող հոսանքը միջինում կհավասրավի զրոյի։ Եթե ժամանակի սկզբնական պահին հանգույցի վրա արտաքին լարում կիրառված չէ, իսկ փուլերի տարբերությունը տարբեր է զրոյից, ապա հանգույցով կհոսի հաստատուն հոսանք։ Հանգույցի վրա հաստատուն լարում կիրառելիս այդ հաստատուն հոսանքը կվերանա։ Այս երևույթը փորձնականորեն հաստատված է։

Կիրառություններ 
Զուգահեռ միացված Ջոզեֆսոնի երկու անցումներից կազմված համակարգը օգտագործվում է որպես շատ զգայուն մագնետոմետր։ Այն թույլ է տալիս չափել մինչև  գաուսի կարգի փոքր դաշտեր, կամ չափել ավելի մեծ դաշտեր՝  ճշտությամբ։

Գրականություն 
 The Josephson junction - The Feynman Lectures on Physics
 Michael Tinkham, "Introduction to superconductivity", McGraw-Hill inc., 1996
 V. V. Schmidt, "The physics of superconductors", Springer

Ծանոթագրություններ 

Գերհաղորդականություն
Պինդ մարմնի ֆիզիկա
Քվանտային երևույթներ
Էլեկտրական երևույթներ
Էներգիա (ֆիզիկա)