ปรากฏการณ์โจเซฟสัน

ภาพของเบร์น เดวิด โจเซฟสัน(Brian Devid Josephson)
ปรากฏการณ์โจเซฟสัน (อังกฤษ: Josephson effect) ในปี 1962 มีการค้นพบทางทฤษฎีของตัวนำยวดยิ่งที่ทำให้การศึกษาค้นคว้าด้านตัวนำยวดยิ่งมีความตื่นเต้นเล็กๆกันอีกครั้ง โจเซฟสันได้เสนอทฤษฎีที่ว่าคู่คูเปอร์สามารถทะลุผ่านฉนวนบาง ๆ ที่กั้นกลางระหว่างตัวนำยวดยิ่งได้โดยไม่ต้องใส่แรงเคลื่อนไฟฟ้า ต่อมาได้ชื่อว่า ปรากฏการณ์โจเซฟสัน(Josephson effect)(B ซึ่งเป็นแนวคิดที่มีความล้ำหน้ามากๆ โดยการทำนายเรื่องปรากฏการณ์ทะลุผ่านในแผ่นประกบตัวนำยวดยิ่งของเขาได้ถูกทำการทดลองยืนยันได้ในเวลาต่อมา และจากการค้นพบในครั้งนี้ทำให้เขาได้รรับรางวัลโนเบลในปี1973ซึ่งก็เป็น 1 ปีถัดไป หลังจาก บาร์ดีนคูเปอร์ และชรีฟเฟอร์ ได้รับรางวัลโนเบล

                    แนวคิดพื้นฐาน เรื่องราวเกี่ยวกับการโต้เถียงทางวิทยาศาสตร์ที่เกิดขึ้นในปี 1962 ระหว่าง จอห์น บาร์ดีน (John Bardeen) นักฟิสิกส์ที่ได้รับรางวัลโนเบลสองครั้งในสาขาฟิสิกส์ และ ไบรอัน โจเซฟสัน (Brian Josephson) นักศึกษาวิจัยอายุ 22 ปีจากมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ ซึ่งเป็นที่รู้จักในภายหลังจากการค้นพบ Josephson Effect ซึ่งเป็นทฤษฎีที่อธิบายว่ากระแสไฟฟ้าที่อยู่ในรูปแบบของ "supercurrent" สามารถทะลุผ่านชั้นฉนวนบาง ๆ ในระบบตัวนำยวดยิ่งได้โดยไม่สูญเสียพลังงานหรือสร้างอนุภาคใหม่
ในขณะนั้น บาร์ดีนเป็นที่ยอมรับในฐานะนักฟิสิกส์ชั้นนำในด้านตัวนำยวดยิ่ง และเขาไม่เห็นด้วยกับทฤษฎีของโจเซฟสัน โดยให้เหตุผลว่าอิเล็กตรอนในสถานะตัวนำยวดยิ่งไม่สามารถข้ามผ่านชั้นฉนวนได้ บาร์ดีนยืนยันว่าการจับคู่ของอนุภาคซึ่งเป็นพื้นฐานของทฤษฎีตัวนำยวดยิ่ง (BCS Theory) ไม่สามารถทะลุผ่านชั้นฉนวนที่บางได้อย่างที่โจเซฟสันกล่าวอ้าง
การถกเถียงระหว่างทั้งสองเกิดขึ้นในที่ประชุมฟิสิกส์ระหว่างประเทศที่กรุงลอนดอนในเดือนกันยายน 1962 ซึ่งในที่ประชุม บาร์ดีนและโจเซฟสันได้โต้เถียงกันเกี่ยวกับแนวคิดของการทะลุผ่านของกระแส supercurrent ในระบบตัวนำยวดยิ่ง การอภิปรายนี้กลายเป็นเหตุการณ์สำคัญในประวัติศาสตร์ฟิสิกส์ แม้ว่าจะไม่มีข้อยุติที่ชัดเจนในขณะนั้น แต่หลังจากนั้นไม่นาน การทดลองที่ทำโดย ฟิลิป แอนเดอร์สัน (Philip Anderson) และ จอห์น โรเวลล์ (John Rowell) ได้พิสูจน์ว่าทฤษฎีของโจเซฟสันเป็นความจริง โดยการทดลองนี้แสดงให้เห็นว่ากระแส supercurrent สามารถทะลุผ่านชั้นฉนวนได้จริง
การค้นพบของโจเซฟสันมีผลกระทบต่อการวัดค่าทางฟิสิกส์อย่างมาก ทฤษฎีของเขาถูกนำมาใช้ในการวัดค่าทางฟิสิกส์ที่มีความแม่นยำสูง เช่น การวัดอัตราส่วนของประจุอิเล็กตรอนต่อพลังงานคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ด้วยความแม่นยำถึง 1 ใน 1019 สิ่งนี้ทำให้ Josephson Effect กลายเป็นเครื่องมือสำคัญในการพัฒนามาตรวิทยาและการวัดค่าต่าง ๆ ในวงการฟิสิกส์และวิศวกรรม ซึ่งมีการนำไปใช้ในเทคโนโลยีสมัยใหม่เช่น วงจรเชิงควอนตัมและการพัฒนามาตรฐานแรงดันไฟฟ้าที่มีความแม่นยำสูง
ในปี1973 มีผู้ได้รับรางวัลโนเบล 3คน คือ เบร์น เดวิด โจเซฟสัน ( Brian David Josephson) ลีโอ อีซากิ(Leo Esaki) ไอวา เกียเวอร์(Ivar Giaever) โดยได้รับรางวัล ½,¼,¼ ส่วนตามลำดับ ซึ่งจะพบว่าโจเซฟสันได้รับความสำคัญมากกว่าโดยได้รับรางวัลครึ่งส่วนของปีนั้น(The Nobel Foundation) มีความอธิบายการค้นพบที่ได้รับรางวัลว่า
“for their experimental discoveries regarding tunneling phenomena in semiconductors and superconductors , respectively”
โดยโจเซฟสันได้รางวัลสำหรับการศึกษาด้านทฤษฎีของตัวนำยวดยิ่ง เกียเวอร์ได้รางวัลสำหรับการทดลองการทะลุผ่าน (Tunneling) ในตัวนำยวดยิ่งและสารกึ่งตัวนำ ส่วนอีซากิได้รับรางวัลส่วนการทดลองการทะลุผ่านในสารกึ่งตัวนำ
โจเซฟสันเริ่มทำงานวิจัยนี้ขณะที่ยังเป็นนักศึกษาปริญญาเอก โดยมี เบร์น พิพาร์ด (Brian Pippard) เป็นอาจารย์ที่ปรึกษา แต่ความคิดหลักของงานวิจัยเรื่องการทะลุผ่านี้เกิดจากการที่เขาได้ไปเยี่ยมห้องปฏิบัติการของ ฟิล แอนเดอร์สัน(Phil Anderson) ผู้ที่ทำการศึกษาเกี่ยวกับการทะลุผ่านของ กระแสยวดยิ่ง(Supercurrent)ซึ่งแอนเดอร์สันแสดงให้เห็นว่าสำหรับระบบที่มีปฏิสัมพันธ์กัน(Correlation) สามารถเกิดสถานะเสมือนในพิกัดตรงข้ามได้
ปรากฏการณ์โจเซฟสัน  เป็นปรากฏการณ์ที่สามารถทำให้เกิดได้ ภายใต้เงื่อนไขที่เหมาะสม โดยเป็นปรากฏการณ์ที่คู่คูเปอร์ที่เป็นตัวนำในตัวนำยวดยิ่งสามารถทะลุผ่านฉนวนบางๆที่กันกลางระหว่างตัวนำยวดยิ่งได้ ปรากฏการณ์นีสามารถเกิดขึ้นได้2แบบ คือปรากฏการณ์โจเซฟสันกระแสตรง(DC Josephson effect) และปรากฏการณ์โจเซฟสันกระแสสลับ(AC Josephson effect)
ปรากฏการณ์โจเซฟสัน กระแสตรง(DC Josephson Effect) เป็นปรากฏการณ์ที่มีกระแสไฟฟ้าตรงพุ่งทะลุผ่านบริเวณรอยต่อจากตัวนำยวดยิ่งด้านหนึ่งไปสู่ตัวนำยวดยิ่งอีกด้านหนึ่งได้ แม้จะมีฉนวนกั้นกลางอยู่โดยไม่มีการใส่สนามไฟฟ้าหรือสนามแม่เหล็ก โดยกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านรอยต่อจะมีค่าตามสมการ
I=I0sinφ
เมื่อ I เป็นกระแสสูงสุดที่สามารถไหลผ่านได้ และ φ จะเป็นความต่างเฟสของฟังก์ชันคลื่นของคู่คูปเปอร์ในตัวนำยวดยิ่งในแต่ละด้าน
ปรากฏการณ์โจเซฟสัน กระแสสลับ (AC Josephson Effect) เมื่อใส่แหล่งจ่ายไฟกระแสตรงให้แก่ระบบจะเกิดกระแสไฟฟ้าสลับไหลผ่านที่บริเวณรอยต่อของตัวนำยวดยิ่งทั้งสอง และจากค่าที่ได้สามารถนำมาคำนวณหาค่าħ/e ที่แม่นยำมากๆได้ พบว่ากระแสไฟ้ฟ้าที่ไหลผ่านรอยต่อจะมีค่าตามสมการ
I=I0sin(φ(0)-ωt)
โดยความถี่ของกระแสไฟฟ้าสลับเป็น ω=2eV/ħ และ δ(0)คือความต่างเฟสเริ่มต้น t คือเวลา e คือประจุของอิเล็กตรอนและ V คือความต่างศักย์ที่ใส่เข้าไป
จากสมการความถี่ ω=2eV/ħ พบว่าความต่างศักย์ V เป็นค่าที่กำหนดได้จากการทดลองและความถี่เป็นค่าที่วัดได้จากการทดลอง ถ้าสามารถทำการวัดได้อย่างแม่นยำก็สามารถนำมาคำนวณ ħ/e ที่แม่นยำมากๆ ได้ ซั่งมีประโยชน์มากในการนำมาใช้เป็นตัวกำหนดค่ามาตราฐาน