Нестационарный эффект Джозефсона: обнаружение электромагнитного излучения

Дан исторический обзор открытия и начального периода исследований эффектов Джозефсона. Подробно описаны эксперименты по изучению туннельного эффекта в сверхпроводниках, проводившиеся в 60-е годы в Физико-техническом институте низких температур, г. Харьков, и приведшие к обнаружению джозефсоновско...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2004
Автор:	Янсон, И.К.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України 2004
Назва видання:	Физика низких температур
Теми:	Сверхпроводимость и мезоскопические структуры
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/119785
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Нестационарный эффект Джозефсона: обнаружение электромагнитного излучения / И.К. Янсон // Физика низких температур. — 2004. — Т. 30, № 7-8. — С. 689-697. — Бібліогр.: 21 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-119785
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1197852017-06-10T03:02:55Z Нестационарный эффект Джозефсона: обнаружение электромагнитного излучения Янсон, И.К. Сверхпроводимость и мезоскопические структуры Дан исторический обзор открытия и начального периода исследований эффектов Джозефсона. Подробно описаны эксперименты по изучению туннельного эффекта в сверхпроводниках, проводившиеся в 60-е годы в Физико-техническом институте низких температур, г. Харьков, и приведшие к обнаружению джозефсоновского электромагнитного излучения. Экспериментальные данные проиллюстрированы оригинальными кривыми с указанием даты их получения. Рассмотрен физический механизм генерации высокочастотного излучения в сверхпроводящих туннельных переходах и кратко перечислены некоторые наиболее перспективные применения нестационарного эффекта Джозефсона. Надано історичний огляд відкриття та початкового періоду досліджень ефектів Джозефсона. Докладно описано експерименти по вивченню тунельного ефекту у надпровідниках, які проводилися у 60-ті роки у Фізико-технічному інституті низьких температур, м. Харків, та привели до виявлення джозефсонівського електромагнітного випромінювання. Експериментальн і дані проілюстровано оригінальними кривими з указанням дати їх отримання. Розглянуто фізичний механізм генерації високочастотного випромінювання у надпровідних тунельних переходах та коротко перелічено деякі найбільш перспективні застосування нестаціонарного ефекту Джозефсона. The history of discovery of the Josephson effect and the first steps in its study are reviewed. The experiments on tunnelling in superconductors which led to the first direct observation of Josephson electromagnetic radiation at the Institute for Low Temperature Physics and Engineering, Kharkov, in sixties, are described in detail. The experimental data are illustrated by the original curves with the date of their recordings. The physical mechanism of high frequency irradiation in superconducting tunnel junctions is considered. Some of the most promising applications of the nonstationary Josephson effect are briefly described. 2004 Article Нестационарный эффект Джозефсона: обнаружение электромагнитного излучения / И.К. Янсон // Физика низких температур. — 2004. — Т. 30, № 7-8. — С. 689-697. — Бібліогр.: 21 назв. — рос. 0132-6414 PACS: 74.50.+r http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/119785 ru Физика низких температур Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Сверхпроводимость и мезоскопические структуры Сверхпроводимость и мезоскопические структуры
spellingShingle	Сверхпроводимость и мезоскопические структуры Сверхпроводимость и мезоскопические структуры Янсон, И.К. Нестационарный эффект Джозефсона: обнаружение электромагнитного излучения Физика низких температур
description	Дан исторический обзор открытия и начального периода исследований эффектов Джозефсона. Подробно описаны эксперименты по изучению туннельного эффекта в сверхпроводниках, проводившиеся в 60-е годы в Физико-техническом институте низких температур, г. Харьков, и приведшие к обнаружению джозефсоновского электромагнитного излучения. Экспериментальные данные проиллюстрированы оригинальными кривыми с указанием даты их получения. Рассмотрен физический механизм генерации высокочастотного излучения в сверхпроводящих туннельных переходах и кратко перечислены некоторые наиболее перспективные применения нестационарного эффекта Джозефсона.
format	Article
author	Янсон, И.К.
author_facet	Янсон, И.К.
author_sort	Янсон, И.К.
title	Нестационарный эффект Джозефсона: обнаружение электромагнитного излучения
title_short	Нестационарный эффект Джозефсона: обнаружение электромагнитного излучения
title_full	Нестационарный эффект Джозефсона: обнаружение электромагнитного излучения
title_fullStr	Нестационарный эффект Джозефсона: обнаружение электромагнитного излучения
title_full_unstemmed	Нестационарный эффект Джозефсона: обнаружение электромагнитного излучения
title_sort	нестационарный эффект джозефсона: обнаружение электромагнитного излучения
publisher	Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України
publishDate	2004
topic_facet	Сверхпроводимость и мезоскопические структуры
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/119785
citation_txt	Нестационарный эффект Джозефсона: обнаружение электромагнитного излучения / И.К. Янсон // Физика низких температур. — 2004. — Т. 30, № 7-8. — С. 689-697. — Бібліогр.: 21 назв. — рос.
series	Физика низких температур
work_keys_str_mv	AT ânsonik nestacionarnyjéffektdžozefsonaobnaruženieélektromagnitnogoizlučeniâ
first_indexed	2025-07-08T16:35:54Z
last_indexed	2025-07-08T16:35:54Z
_version_	1837097346228289536
fulltext	Ôèçèêà íèçêèõ òåìïåðàòóð, 2004, ò. 30, ¹ 7/8, ñ. 689–697 Íåñòàöèîíàðíûé ýôôåêò Äæîçåôñîíà: îáíàðóæåíèå ýëåêòðîìàãíèòíîãî èçëó÷åíèÿ (Îáçîð) È.Ê. ßíñîí Ôèçèêî-òåõíè÷åñêèé èíñòèòóò íèçêèõ òåìïåðàòóð èì. Á.È. Âåðêèíà ÍÀÍ Óêðàèíû ïð. Ëåíèíà, 47, ã. Õàðüêîâ, 61103, Óêðàèíà E-mail: yanson@ilt.kharkov.ua Ñòàòüÿ ïîñòóïèëà â ðåäàêöèþ 22 ÿíâàðÿ 2004 ã. Äàí èñòîðè÷åñêèé îáçîð îòêðûòèÿ è íà÷àëüíîãî ïåðèîäà èññëåäîâàíèé ýôôåêòîâ Äæîçåôñî- íà. Ïîäðîáíî îïèñàíû ýêñïåðèìåíòû ïî èçó÷åíèþ òóííåëüíîãî ýôôåêòà â ñâåðõïðîâîäíèêàõ, ïðîâîäèâøèåñÿ â 60-å ãîäû â Ôèçèêî-òåõíè÷åñêîì èíñòèòóòå íèçêèõ òåìïåðàòóð, ã. Õàðüêîâ, è ïðèâåäøèå ê îáíàðóæåíèþ äæîçåôñîíîâñêîãî ýëåêòðîìàãíèòíîãî èçëó÷åíèÿ. Ýêñïåðèìåíòàëü- íûå äàííûå ïðîèëëþñòðèðîâàíû îðèãèíàëüíûìè êðèâûìè ñ óêàçàíèåì äàòû èõ ïîëó÷åíèÿ. Ðàñ- ñìîòðåí ôèçè÷åñêèé ìåõàíèçì ãåíåðàöèè âûñîêî÷àñòîòíîãî èçëó÷åíèÿ â ñâåðõïðîâîäÿùèõ òóí- íåëüíûõ ïåðåõîäàõ è êðàòêî ïåðå÷èñëåíû íåêîòîðûå íàèáîëåå ïåðñïåêòèâíûå ïðèìåíåíèÿ íåñòàöèîíàðíîãî ýôôåêòà Äæîçåôñîíà. Íàäàíî ³ñòîðè÷íèé îãëÿä â³äêðèòòÿ òà ïî÷àòêîâîãî ïåð³îäó äîñë³äæåíü åôåêò³â Äæîçåôñî- íà. Äîêëàäíî îïèñàíî åêñïåðèìåíòè ïî âèâ÷åííþ òóíåëüíîãî åôåêòó ó íàäïðîâ³äíèêàõ, ÿê³ ïðîâîäèëèñÿ ó 60-ò³ ðîêè ó Ô³çèêî-òåõí³÷íîìó ³íñòèòóò³ íèçüêèõ òåìïåðàòóð, ì. Õàðê³â, òà ïðèâåëè äî âèÿâëåííÿ äæîçåôñîí³âñüêîãî åëåêòðîìàãí³òíîãî âèïðîì³íþâàííÿ. Åêñïåðèìåí- òàëüí³ äàí³ ïðî³ëþñòðîâàíî îðèã³íàëüíèìè êðèâèìè ç óêàçàííÿì äàòè ¿õ îòðèìàííÿ. Ðîçãëÿíó- òî ô³çè÷íèé ìåõàí³çì ãåíåðàö³¿ âèñîêî÷àñòîòíîãî âèïðîì³íþâàííÿ ó íàäïðîâ³äíèõ òóíåëüíèõ ïåðåõîäàõ òà êîðîòêî ïåðåë³÷åíî äåÿê³ íàéá³ëüø ïåðñïåêòèâí³ çàñòîñóâàííÿ íåñòàö³îíàðíîãî åôåêòó Äæîçåôñîíà. PACS: 74.50.+r Ñîäåðæàíèå 1. Ââåäåíèå . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 689 2. Íà÷àëî òóííåëüíûõ èññëåäîâàíèé ñâåðõïðîâîäíèêîâ â ÔÒÈÍÒ ÍÀÍÓ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 691 3. Îáíàðóæåíèå äæîçåôñîíîâñêîãî ýëåêòðîìàãíèòíîãî èçëó÷åíèÿ 693 4. Ìåõàíèçì ãåíåðàöèè ýëåêòðîìàãíèòíîãî èçëó÷åíèÿ íà ðåçîíàíñ- íûõ ÷àñòîòàõ òóííåëüíîãî ïåðåõîäà . . . . . . . . . . . 695 5. Íåêîòîðûå ïåðñïåêòèâû äàëüíåéøåãî ðàçâèòèÿ èññëåäîâàíèé è ïðèëîæåíèé íåñòàöèîíàðíîãî ýôôåêòà Äæîçåôñîíà . . . . 696 Ñïèñîê ëèòåðàòóðû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 697 1. Ââåäåíèå Â ïåðâîé ïîëîâèíå 1962 ãîäà ìîëîäîé àíãëèé- ñêèé àñïèðàíò-òåîðåòèê Áðàéàí Äæîçåôñîí, âûïîë- íÿÿ ðàñ÷åòû òóííåëüíîãî òîêà ìåæäó äâóìÿ ñâåðõ- ïðîâîäíèêàìè, îáíàðóæèë äîïîëíèòåëüíûå ñëàãàåìûå. Ïî Äæîçåôñîíó âûõîäèëî, ÷òî ÷åðåç ïîòåíöèàëüíûé áàðüåð ìîãóò ïðîñà÷èâàòüñÿ íå òîëüêî «íîðìàëüíûå» ýëåêòðîíû, ò.å. òå íîñèòåëÿ òîêà, äâèæåíèå êîòîðûõ â ìåòàëëå âñòðå÷àåò ñîïðîòèâëåíèå è ïðèâîäèò ê âûäåëå- íèþ òåïëà. Îêàçàëîñü, ÷òî è «ñâåðõïðîâîäÿùèå» ýëåêòðîíû, êîòîðûå, âçàèìîäåéñòâóÿ ñ êðèñòàëëè- ÷åñêîé ðåøåòêîé, ïðèòÿãèâàþòñÿ äðóã ê äðóãó, îá- ðàçóÿ òàê íàçûâàåìûå êóïåðîâñêèå ïàðû ñ çàðÿäîì 2å (å — ýëåìåíòàðíûé ýëåêòðè÷åñêèé çàðÿä), òàêæå èìåþò ñðàâíèìóþ ïî âåëè÷èíå âåðîÿòíîñòü ïðîñà÷è- © È.Ê. ßíñîí, 2004 âàíèÿ ÷åðåç ïîòåíöèàëüíûé áàðüåð. Ñâåðõïðîâîäÿ- ùèå ýëåêòðîíû ïðè äâèæåíèè â ìåòàëëå ñî ñêîðî- ñòüþ, íå ïðåâûøàþùåé êðèòè÷åñêóþ, íå âñòðå÷àþò ñîïðîòèâëåíèÿ. Ïðîñà÷èâàíèå íîðìàëüíûõ ýëåêòðî- íîâ ÷åðåç äèýëåêòðè÷åñêóþ ïðîñëîéêó òîëùèíîé â íåñêîëüêî íàíîìåòðîâ íàõîäèò åñòåñòâåííîå îáúÿñ- íåíèå â ðàìêàõ êâàíòîâîìåõàíè÷åñêîãî òóííåëüíîãî ýôôåêòà. Òóííåëèðîâàíèå êóïåðîâñêèõ ïàð ìîæíî îáðàçíî íàçâàòü «äâàæäû» êâàíòîâûì ýôôåêòîì, òàê êàê îíî îáÿçàíî ñâîèì ïðîèñõîæäåíèåì âîë- íîâîé ïðèðîäå âñåãî àíñàìáëÿ ñâåðõïðîâîäÿùèõ ýëåêòðîíîâ êàê öåëîãî, îïèñûâàåìîãî åäèíîé êâàí- òîâîìåõàíè÷åñêîé âîëíîâîé ôóíêöèåé �( )r . Äåéñò- âèòåëüíî, ñ òî÷êè çðåíèÿ êâàíòîâîé ìåõàíèêè, áåç ó÷åòà ÿâëåíèÿ ñâåðõïðîâîäèìîñòè îäíîâðåìåííîå òóí- íåëèðîâàíèå äâóõ ýëåêòðîíîâ ïðîïîðöèîíàëüíî êâàä- ðàòó êîýôôèöèåíòà ïðîçðà÷íîñòè ïîòåíöèàëüíîãî áàðüåðà, ÷òî ñîñòàâëÿåò îáû÷íî ïðåíåáðåæèìî ìàëóþ âåëè÷èíó. Íåîáû÷íî, ÷òî íà ñàìîì äåëå ïðîçðà÷íîñòü áàðüåðà äëÿ êóïåðîâñêîé ïàðû èìååò òîò æå ïîðÿäîê âåëè÷èíû, ÷òî è äëÿ îäíîãî íîðìàëüíîãî ýëåêòðîíà. Â êðàòêîì ñîîáùåíèè, îïóáëèêîâàííîì â îäíîì èç ïåðâûõ íîìåðîâ òîëüêî ÷òî ñîçäàííîãî æóðíàëà «Physics Letters» [1] (8.06.–1.07.1962 ã.), Äæîçåô- ñîí î÷åíü ÷åòêî èçëîæèë ñëåäñòâèÿ, âûòåêàþùèå èç åãî òåîðåòè÷åñêèõ ðàñ÷åòîâ. Êðîìå ïîñòîÿííîãî ñâåðõïðîâîäÿùåãî òîêà, ïðîòåêàþùåãî ïðè íóëåâîì íàïðÿæåíèè íà áàðüåðå, äîëæåí áûë ñóùåñòâîâàòü ïåðåìåííûé ñâåðõïðîâîäÿùèé òîê, òåêóùèé ïðè ïî- ñòîÿííîì íàïðÿæåíèè íà áàðüåðå. Ïðè ðàçíîñòè ïî- òåíöèàëîâ â 1 ìêÂ ÷àñòîòà îñöèëëÿöèé ïåðåìåííîãî òîêà ñîñòàâëÿåò 483,6 ÌÃö. Íà ñàìîì äåëå, äëÿ òîãî ÷òîáû áûòü íàáëþäàåìûì, ïåðåìåííûé òîê Äæî- çåôñîíà äîëæåí ïðèâîäèòü ê ïîÿâëåíèþ íåáîëüøîé ïåðåìåííîé êîìïîíåíòû ðàçíîñòè ïîòåíöèàëîâ íà áàðüåðå, êîòîðàÿ îòâåòñòâåííà çà òîò èëè èíîé ìåõà- íèçì äèññèïàöèè ýíåðãèè êîëåáàíèé. Äæîçåôñîí óêàçàë òàêæå, â êàêèõ ýêñïåðèìåíòàõ íàèáîëåå ÿðêî äîëæíû ïðîÿâëÿòüñÿ íåîáû÷íûå ñâîéñòâà òóííåëü- íîãî òîêà êóïåðîâñêèõ ïàð. Äëÿ ïîñòîÿííîãî òîêà ýòî îñöèëëèðóþùàÿ çàâèñèìîñòü êðèòè÷åñêîãî (ò.å. ìàêñèìàëüíî âîçìîæíîãî) ñâåðõïðîâîäÿùåãî òîêà îò ñëàáûõ ïîñòîÿííûõ ìàãíèòíûõ ïîëåé, ïðîíèçû- âàþùèõ ïëîùàäü ñå÷åíèÿ òóííåëüíîãî ïåðåõîäà. Ýòà çàâèñèìîñòü ÿâëÿåòñÿ ñëåäñòâèåì ÷óâñòâèòåëüíî- ñòè ôàçû �( )r âîëíîâîé ôóíêöèè ñâåðõïðîâîäÿùèõ ýëåêòðîíîâ � �� ( ) ( ) ( )r r i r� e � ê ìàãíèòíîìó ïîëþ, à òî÷íåå, ê ïîëþ âåêòîð-ïîòåíöèàëà A( )r . Äðóãèì ýêñïåðèìåíòîì, óêàçûâàþùèì íà ñóùåñòâîâàíèå ïå- ðåìåííîãî ñâåðõïðîâîäÿùåãî òîêà, ìîãëî ñëóæèòü âåñüìà íåîáû÷íîå äåòåêòèðîâàíèå âíåøíåãî ýëåêòðî- ìàãíèòíîãî èçëó÷åíèÿ ÑÂ× äæîçåôñîíîâñêîé òóí- íåëüíîé ñòðóêòóðîé. Ïîñêîëüêó ÷àñòîòà ïåðåìåííîãî òîêà ïðîïîðöèîíàëüíà íàïðÿæåíèþ íà òóííåëüíîì ïåðåõîäå, òî íåáîëüøàÿ ÑÂ× äîáàâêà, èíäóöèðóåìàÿ âíåøíèì ïîëåì, ïðèâîäèò ê ÷àñòîòíîé ìîäóëÿöèè ïå- ðåìåííîãî òîêà, â ñïåêòðå êîòîðîãî ïîÿâëÿþòñÿ ïîñòî- ÿííûå ñîñòàâëÿþùèå êàæäûé ðàç, êîãäà ïîñòîÿííîå íàïðÿæåíèå íà êîíòàêòå óäîâëåòâîðÿåò ñîîòíîøåíèþ 2eV n� �� ( , , ,...)n � 1 2 3 . (1) Ñëåäîâàòåëüíî, íà âîëüò-àìïåðíîé õàðàêòåðèñòèêå (ÂÀÕ) ïîÿâëÿþòñÿ âåðòèêàëüíûå ó÷àñòêè (ñòóïå- íè), ãäå òîê èçìåíÿåòñÿ ïðè ïî÷òè ïîñòîÿííîì íàïðÿæåíèè. Ñîîòíîøåíèå (1) ëåãêî èíòåðïðåòèðîâàòü ñ ôèçè- ÷åñêîé òî÷êè çðåíèÿ. Äåéñòâèòåëüíî, êóïåðîâñêèå ïàðû îáëàäàþò ñóììàðíûì ñïèíîì, ðàâíûì íóëþ, è ïîòîìó ïîä÷èíÿþòñÿ ñòàòèñòèêå Áîçå—Ýéíøòåéíà. Ïðè òåìïåðàòóðàõ ìíîãî íèæå òåìïåðàòóðû ïåðåõî- äà ìåòàëëà â ñâåðõïðîâîäÿùåå ñîñòîÿíèå â ðåçóëü- òàòå áîçå-êîíäåíñàöèè ïî÷òè âñå îíè çàíèìàþò îäèí è òîò æå ýíåðãåòè÷åñêèé óðîâåíü, îòâå÷àþùèé õè- ìè÷åñêîìó ïîòåíöèàëó ýëåêòðîíîâ ïðîâîäèìîñòè. Åñëè ìåæäó äâóìÿ ñâåðõïðîâîäíèêàìè, íàõîäÿùè- ìèñÿ â òóííåëüíîì êîíòàêòå, ïðèëîæåíî ïîñòîÿííîå íàïðÿæåíèå, òî èõ õèìïîòåíöèàëû îòëè÷àþòñÿ íà åV. Ñëåäîâàòåëüíî, ýëåìåíòàðíûì àêòîì òóííåëü- íîãî ïåðåõîäà êóïåðîâñêîé ïàðû, èìåþùåé çàðÿä 2å, â ýòîì ñëó÷àå áóäåò ïðîöåññ, ñîïðîâîæäàþùèéñÿ èçëó÷åíèåì èëè ïîãëîùåíèåì îäíîãî èëè íåñêîëü- êèõ êâàíòîâ ýíåðãèè ��. Ëåãêî âèäåòü, ÷òî ñîîòíî- øåíèå (1) âûðàæàåò çàêîí ñîõðàíåíèÿ ýíåðãèè â òà- êèõ ýëåìåíòàðíûõ ïðîöåññàõ. Ñîáûòèÿ, îòíîñÿùèåñÿ ê ýêñïåðèìåíòàëüíîìó îòêðûòèþ ïðåäñêàçàííûõ ýôôåêòîâ, ðàçâèâàëèñü ñòðåìèòåëüíî. Ñïóñòÿ ïîëãîäà ïîñëå ïîÿâëåíèÿ ïåð- âîé ðàáîòû Äæîçåôñîíà [1] ïîä îñòîðîæíûì íàçâà- íèåì «Íîâûå âîçìîæíûå ýôôåêòû ïðè òóííåëèðî- âàíèè ìåæäó ñâåðõïðîâîäíèêàìè» Ô. Àíäåðñîí è Äæ. Ðîóýëë îïóáëèêîâàëè ýêñïåðèìåíòàëüíóþ ðà- áîòó [4] (11.01.–15.03.1963 ã.), ïîä íå ìåíåå îñòî- ðîæíûì íàçâàíèåì «Âåðîÿòíîå íàáëþäåíèå ñâåðõ- ïðîâîäÿùåãî òóííåëüíîãî ýôôåêòà Äæîçåôñîíà», â êîòîðîé ïðèâåëè íåêîòîðûå ôàêòû, íå óêëàäûâàþ- ùèåñÿ â ñóùåñòâîâàâøóþ äî Äæîçåôñîíà òåîðèþ 690 Ôèçèêà íèçêèõ òåìïåðàòóð, 2004, ò. 30, ¹ 7/8 È.Ê. ßíñîí Â äàëüíåéøåì òàêèì îáðàçîì áóäåì óêàçûâàòü äàòû íàïðàâëåíèÿ â ïå÷àòü è îïóáëèêîâàíèÿ äëÿ ïèîíåðñêèõ ðàáîò. Êàê âñïîìèíàåò Ô. Àíäåðñîí [2], ïðè âûáîðå æóðíàëà äëÿ ïóáëèêàöèè áûëî ðåøåíî íå ïîñûëàòü ïåðâóþ çàÿâî÷íóþ ñòàòüþ â «ñòàðûé» àìåðèêàíñêèé æóðíàë «Physical Review Letters» èç-çà âàæíîñòè è íåîáû÷íîñòè ïîëó÷åííûõ ðåçóëüòàòîâ è áîÿçíè íå áûòü ïîíÿòûì ðåöåíçåíòàìè. Êàê ïîêàçàë äàëüíåéøèé õîä ñîáûòèé [3], äàæå äâàæäû íîáåëåâñêèé ëàóðåàò Äæîí Áàðäèí íå ñðàçó ñîãëàñèëñÿ ñ âûâîäàìè Äæîçåôñîíà. òîêîâ ÷åðåç òóííåëüíûé êîíòàêò è íàõîäÿùèå åñòå- ñòâåííîå îáúÿñíåíèå â ðàìêàõ ñîçäàííîé èì òåîðèè ïîñòîÿííîãî ñâåðõïðîâîäÿùåãî òîêà. Ïîëíîå òîðæå- ñòâî ðàçâèòûõ Äæîçåôñîíîì èäåé íàñòóïèëî â ñåðå- äèíå 1963 ãîäà, êîãäà Ðîóýëë ñîîáùèë î íàáëþäå- íèè îñöèëëèðóþùåé çàâèñèìîñòè êðèòè÷åñêîãî òîêà [5] (24.07.–1.09.1963 ã.), íåïîñðåäñòâåííî äîêàçû- âàþùåé ñóùåñòâîâàíèå ïîñòîÿííîãî ñâåðõïðîâîäÿ- ùåãî òîêà. Ñ. Øàïèðî â ýêñïåðèìåíòàõ ñ äåòåêòè- ðîâàíèåì âíåøíåãî ýëåêòðîìàãíèòíîãî èçëó÷åíèÿ íàáëþäàë ïðåäñêàçàííûå Äæîçåôñîíîì ñòóïåíüêè òîêà [6] (13.06.–15.07.1963 ã.), êîòîðûå ìîæíî áûëî ðàññìàòðèâàòü êàê óáåäèòåëüíîå êîñâåííîå äî- êàçàòåëüñòâî ñóùåñòâîâàíèÿ ïåðåìåííîãî òîêà. Ýòè óñïåõè áûëè ïîäûòîæåíû 26–29 àâãóñòà 1963 ãîäà íà Ìåæäóíàðîäíîé êîíôåðåíöèè ïî ñâåðõïðîâîäè- ìîñòè â Êîëãåéòñêîì óíèâåðñèòåòå (ÑØÀ). Òàì, êðîìå óæå óïîìÿíóòûõ äîñòèæåíèé, áûë çàñëóøàí è äîêëàä Ì. Ôèñêå [7], ñîäåðæàùèé ýêñïåðèìåí- òàëüíîå ïîäòâåðæäåíèå ïðåäñêàçàííîé òåìïåðàòóð- íîé çàâèñèìîñòè êðèòè÷åñêîãî òîêà Äæîçåôñîíà è ñîîáùåíèå î íàáëþäåíèè âåðòèêàëüíûõ ñòóïåíåê òîêà ïðè êîíå÷íûõ íàïðÿæåíèÿõ â îòñóòñòâèå âíåø- íåãî èçëó÷åíèÿ ÑÂ×. Â îïóáëèêîâàííîì â ýòîì æå íîìåðå æóðíàëà âûñòóïëåíèè âî âðåìÿ äèñêóññèè èçâåñòíîãî àíãëèéñêîãî ó÷åíîãî Á. Ïèïïàðäà ñî- äåðæàëàñü äîãàäêà (áëåñòÿùå îïðàâäàâøàÿñÿ âïî- ñëåäñòâèè) î ìåõàíèçìå âîçíèêíîâåíèÿ ýòèõ ñòóïå- íåé êàê ñëåäñòâèÿ âîçáóæäåíèÿ ýëåêòðîìàãíèòíûõ êîëåáàíèé ìèíèàòþðíîãî ïîëîñêîâîãî ðåçîíàòîðà ñ îòêðûòûìè ñòåíêàìè, îáðàçóåìîãî òóííåëüíûì ïå- ðåõîäîì. Á. Ïèïïàðäà âìåñòå ñ Ô. Àíäåðñîíîì ìîæíî ñ÷èòàòü «êðåñòíûìè îòöàìè» ýôôåêòà Äæî- çåôñîíà, òàê êàê èìåííî ñ íèìè Á. Äæîçåôñîí îáñó- æäàë ñâîè èäåè è ïîëó÷èë îò íèõ ïîëíîå âçàèìîïî- íèìàíèå è ïîääåðæêó. Ô. Àíäåðñîí, êðîìå òîãî, âíåñ áîëüøîé âêëàä â ðàçðàáîòêó è ðàçúÿñíåíèå ôèçè÷åñêîé ñóùíîñòè ïðåäñêàçàííûõ Äæîçåôñîíîì ýôôåêòîâ. Â ÷àñòíîñòè, îí ñîâìåñòíî ñ À. Äàéåìîì âïåðâûå ïîêàçàë [8] (18.06.–10.08.1964 ã.), ÷òî ýô- ôåêòû Äæîçåôñîíà íàáëþäàþòñÿ è â ñâåðõïðîâîäÿ- ùèõ ìèêðîìîñòèêàõ, ðàñøèðèâ òåì ñàìûì êëàññ îáúåêòîâ «ñëàáîé ñâåðõïðîâîäèìîñòè», ò.å. ñòðóê- òóð, äëÿ êîòîðûõ ïðîÿâëÿþòñÿ ýòè ýôôåêòû. Ñàì Äæîçåôñîí åùå â ïåðâîé ðàáîòå îòìå÷àë, ÷òî ïðåä- ñêàçûâàåìûå èì ýôôåêòû ìîãóò èìåòü ìåñòî íå òîëüêî â òóííåëüíûõ ñòðóêòóðàõ ìåòàëë—äèýëåê- òðèê—ìåòàëë, íî è â òàê íàçûâàåìûõ ñòðóêòóðàõ S–N–S, ò.å. äâóõ ñâåðõïðîâîäíèêàõ, ðàçäåëåííûõ òîíêèì ñëîåì íîðìàëüíîãî ìåòàëëà. 2. Íà÷àëî òóííåëüíûõ èññëåäîâàíèé ñâåðõïðîâîäíèêîâ â ÔÒÈÍÒ ÍÀÍÓ Ïåðâûå òóííåëüíûå èçìåðåíèÿ ýíåðãåòè÷åñêîé ùå- ëè â ñïåêòðå êâàçè÷àñòè÷íûõ âîçáóæäåíèé ñâåðõïðî- âîäíèêîâ áûëè âûïîëíåíû â 1960 ãîäó È. Ãüåâåðîì â ÑØÀ [9]. Â ýòîì æå ãîäó â Õàðüêîâå áûë ñîçäàí Ôè- çèêî-òåõíè÷åñêèé èíñòèòóò íèçêèõ òåìïåðàòóð ÀÍ ÓÑÑÐ (ÔÒÈÍÒ ÀÍ ÓÑÑÐ). Òóííåëèðîâàíèå â ñâåðõ- ïðîâîäíèêàõ áûëî âêëþ÷åíî â ïëàí íàó÷íî-èññëåäîâà- òåëüñêèõ ðàáîò èíñòèòóòà. Îäíàêî ââèäó íåîáõîäèìî- ñòè ñîçäàíèÿ âñåé ýêñïåðèìåíòàëüíîé áàçû «ñ íóëÿ», âîñïðîèçâåñòè ãüåâåðîâñêèå ðåçóëüòàòû óäàëîñü ëèøü â íà÷àëå 1963 ãîäà. Ýòî áûëè èçìåðåíèÿ âîëüò-àìïåð- íûõ õàðàêòåðèñòèê (ÂÀÕ) òîíêîïëåíî÷íûõ òóííåëü- íûõ ñòðóêòóð àëþìèíèé—îêèñü àëþìèíèÿ—ñâèíåö, îëîâî èëè èíäèé. Îäíà èç ïåðâûõ õàðàêòåðèñòèê, íà êîòîðîé ÿðêî ïðîÿâèëàñü ýíåðãåòè÷åñêàÿ ùåëü ñâèíöà ( ,� � 1 34 ìýÂ), ïîêàçàíà íà ðèñ. 1. Ê ñåðåäèíå 1964 ãîäà óäàëîñü ðàçðàáîòàòü òåõíî- ëîãèþ ïðèãîòîâëåíèÿ òóííåëüíûõ ñòðóêòóð ñâåðõ- ïðîâîäíèê—èçîëÿòîð—ñâåðõïðîâîäíèê äîñòàòî÷íî âûñîêîãî êà÷åñòâà [10], ïîçâîëèâøóþ íà÷àòü èçó÷å- íèå ýôôåêòîâ Äæîçåôñîíà. Óæå â ïåðâîé ðàáîòå [11] (30.07.–12.1964 ã.) áûëî ïîêàçàíî, ÷òî ïðèãî- òîâëåííûå íàìè òóííåëüíûå ñòðóêòóðû îëîâî—îêè- ñåë—îëîâî èìåëè òîíêèé è îäíîðîäíûé ïîòåí- öèàëüíûé áàðüåð. Õàðàêòåðíàÿ îñöèëëèðóþùàÿ çàâèñèìîñòü ìàêñèìàëüíîãî òîêà Äæîçåôñîíà áûëà ïîëó÷åíà â íîâîé ïîñòàíîâêå ýêñïåðèìåíòà, êîãäà Íåñòàöèîíàðíûé ýôôåêò Äæîçåôñîíà: îáíàðóæåíèå ýëåêòðîìàãíèòíîãî èçëó÷åíèÿ Ôèçèêà íèçêèõ òåìïåðàòóð, 2004, ò. 30, ¹ 7/8 691 Â 1975 ãîäó Ãüåâåð âìåñòå ñ Äæîçåôñîíîì è Ë. Åçàêè, îòêðûâøèì åùå ðàíüøå òóííåëèðîâàíèå ýëåêòðîíîâ â ñèëü- íî ëåãèðîâàííûõ ïîëóïðîâîäíèêàõ, áûëè óäîñòîåíû Íîáåëåâñêîé ïðåìèè. 16 12 8 4 0 1 2 3 4 Íàïðÿæåíèå, ìÂ Ò î ê, í A T > Tc T = 1,65 K Al–Al O –Pb2 3 20.04.1963 Ðèñ. 1. Âîëüò-àìïåðíàÿ õàðàêòåðèñòèêà ïåðåõîäà Al–AI2O3–Pb. «âíåøíåå» ìàãíèòíîå ïîëå ñîçäàâàëîñü äîïîëíè- òåëüíûì òîêîì, ïðîòåêàþùèì ïî îäíîé èç ïëåíîê. Äëÿ òóííåëüíûõ ïåðåõîäîâ ñ øèðèíîé ñâåðõïðîâî- äÿùèõ ïëåíîê ìåíüøåé, ÷åì òàê íàçûâàåìàÿ äæî- çåôñîíîâñêàÿ ãëóáèíà ïðîíèêíîâåíèÿ ìàãíèòíîãî ïîëÿ â òóííåëüíûé ïåðåõîä (ñîñòàâëÿþùåé îáû÷íî íåñêîëüêî äåñÿòûõ äîëåé ìì), çàâèñèìîñòü êðèòè÷å- ñêîãî òîêà îò ïîëÿ H0, ïðèëîæåííîãî ïàðàëëåëüíî ïëåíêå øèðèíîé L, õîðîøî ñëåäóåò çàâèñèìîñòè I H I / /c( ) sin( ) ( )0 0 0 0 � � � � � � �� , (2) ãäå I0 — ìàêñèìàëüíûé ïîñòîÿííûé òîê Äæîçåôñî- íà; 0 2� h/ e — êâàíò ìàãíèòíîãî ïîòîêà â ñâåðõ- ïðîâîäíèêàõ, ðàâíûé 2 10 15 � Âá; � � ( )d L2� LH0 — ìàãíèòíûé ïîòîê, ïðîíèçûâàþùèé òóí- íåëüíûé ïåðåõîä; d — òîëùèíà äèýëåêòðè÷åñêîé ïðîñëîéêè (îêèñëà, ðàçäåëÿþùåãî ñâåðõïðîâîäÿùèå ïëåíêè), � L — òàê íàçûâàåìàÿ ëîíäîíîâñêàÿ ãëó- áèíà ïðîíèêíîâåíèÿ ïîñòîÿííîãî è íå ñëèøêîì âûñîêî÷àñòîòíîãî ïåðåìåííîãî ìàãíèòíîãî ïîëÿ â ñâåðõïðîâîäíèê. Íà ðèñ. 2 ïîêàçàíà çàâèñèìîñòü êðèòè÷åñêîãî òîêà Äæîçåôñîíà I Hc( )0 îò ìàã- íèòíîãî ïîëÿ äëÿ ïåðåõîäà, íà êîòîðîì âïåðâûå íàáëþäàëîñü ïðåäñêàçàííîå Äæîçåôñîíîì ýëåêò- ðîìàãíèòíîå èçëó÷åíèå. Â ýòîì ñëó÷àå ðàçìåðû ïå- ðåõîäà ïðåâîñõîäèëè äæîçåôñîíîâñêóþ ãëóáèíó ïðîíèêíîâåíèÿ. Ñëåäîâàòåëüíî, ìàãíèòíîå ïîëå ïðîíèêàëî â ïåðåõîä íåîäíîðîäíî, â âèäå êâàíòî- âàííûõ íèòåé èëè òðóáîê ìàãíèòíîãî ïîòîêà. Ñ ýòèì ñâÿçàíî îòêëîíåíèå íàáëþäàåìîé çàâèñèìîñòè îò ôîðìóëû (2). Òåì íå ìåíåå îñöèëëèðóþùàÿ çàâèñèìîñòü ñ óáûâàþùåé îãèáàþùåé îò÷åòëèâî íà- áëþäàåòñÿ, ÷òî óêàçûâàåò íà îäíîðîäíîñòü äèýëåê- òðè÷åñêîé ïðîñëîéêè è îòñóòñòâèå ìèêðîçàêîðîòîê â òóííåëüíîì áàðüåðå [11]. Â ñðàâíèòåëüíî áîëü- øèõ ìàãíèòíûõ ïîëÿõ ðàñïðåäåëåíèå ìàãíèòíîãî ïîëÿ â ïåðåõîäå ñòàíîâèòñÿ áëèçêèì ê îäíîðîäíî- ìó, è çàâèñèìîñòü êðèòè÷åñêîãî òîêà îò ïîëÿ ïðè- áëèæàåòñÿ ê ôîðìóëå (2). Áûëà ïîäòâåðæäåíà òàêæå òåìïåðàòóðíàÿ çàâè- ñèìîñòü êðèòè÷åñêîãî òîêà Äæîçåôñîíà è îáíàðó- æåíû òàê íàçûâàåìûå «ñóáãàðìîíè÷åñêèå ùåëåâûå îñîáåííîñòè» [11]. Äëÿ òåìû íàñòîÿùåé ñòàòüè îñîáûé èíòåðåñ ïðåä- ñòàâëÿåò íàáëþäåíèå â ýòèõ èçìåðåíèÿõ òàê íàçû- âàåìîé ñòóïåí÷àòîé ñòðóêòóðû ÂÀÕ ïðè ñìåùåíèÿõ ìåíüøèõ ïîðîãîâîãî (ò.å. ïðè åV ìåíüøèõ ýíåðãå- òè÷åñêîé ùåëè �). Õàðàêòåðíûé ïðèìåð òàêîé ñòðóêòóðû ïîêàçàí íà ðèñ. 3, ãäå ïðèâåäåíà ÂÀÕ ïå- ðåõîäà, íà êîòîðîì âïåðâûå íàáëþäàëîñü äæîçåô- ñîíîâñêîå ýëåêòðîìàãíèòíîå èçëó÷åíèå. Øòðèõî- âûì êðóæêîì ïîêàçàíà ñòóïåíüêà, íà êîòîðîé ðàñïîëàãàëàñü ðàáî÷àÿ òî÷êà âî âðåìÿ ýòèõ ýêñïåðè- ìåíòîâ. Èíîãäà ìîæíî áûëî íàáëþäàòü íåîáû÷íîå ïîâåäåíèå íà òàêèõ ñòóïåíÿõ: ïðè óâåëè÷åíèè òîêà ðàáî÷àÿ òî÷êà ïåðåñêàêèâàëà íå íà áîëüøèå, à íà ìåíüøèå íàïðÿæåíèÿ, ÷òî íèêàê íåëüçÿ áûëî îáú- ÿñíèòü âîçìîæíûì ðàçðóøåíèåì êàêèõ-ëèáî ñâåðõ- ïðîâîäÿùèõ òîêîâûõ ïóòåé, âêëþ÷åííûõ ïîñëåäî- âàòåëüíî â öåïü. Áûëî âûñêàçàíî ïðåäïîëîæåíèå [11], ÷òî ñòóïåí÷àòàÿ ñòðóêòóðà «...âåðîÿòíî, ìî- 692 Ôèçèêà íèçêèõ òåìïåðàòóð, 2004, ò. 30, ¹ 7/8 È.Ê. ßíñîí 70 60 50 40 30 20 10 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 H, êÝ Sn–SnO –Sn2 T = 1,57 K 28.11.1964 I , ì A c Ðèñ. 2. Çàâèñèìîñòü êðèòè÷åñêîãî òîêà îò äîïîëíèòåëü- íîãî òîêà ïî ïëåíêå, ïåðåñ÷èòàííîãî â íàïðÿæåííîñòü ìàãíèòíîãî ïîëÿ â òóííåëüíîì ïåðåõîäå. Ñëåäóåò îòìåòèòü, ÷òî çàïèñü ÂÀÕ îáû÷íî îñóùåñòâëÿëàñü ñ èñòî÷íèêîì òîêà. Ïîýòîìó ïàäàþùèé ó÷àñòîê ÂÀÕ íå ìîã áûòü çàôèêñèðîâàí íåïîñðåäñòâåííî, à ïðîÿâëÿëñÿ â âèäå ãèñòåðåçèñà ïðè ïðÿìîì è îáðàòíîì íàïðàâëåíèè çàïèñè. Sn–SnO –Sn2 28.11.1964 T = 1,57 K H = 1,5 Ý Íàïðÿæåíèå, ìÂ 60 50 40 30 20 10 0 Ò î ê , ì A 0 20 60 100 140 180 220 Ðèñ. 3. Ñòóïåí÷àòàÿ ñòðóêòóðà ÂÀÕ òóííåëüíîãî ïåðå- õîäà, íà êîòîðîì âïåðâûå áûëî îáíàðóæåíî äæîçåôñî- íîâñêîå ýëåêòðîìàãíèòíîå èçëó÷åíèå (ñì. ñòóïåíü âíóò- ðè øòðèõîâîãî êðóæêà). æåò áûòü ñâÿçàíà ñ âîçáóæäåíèåì ñâåðõïðîâîäÿ- ùåãî ïåðåìåííîãî òîêà, ïðåäñêàçàííîãî Äæîçåôñî- íîì...». Òàêèì îáðàçîì, ê ñåðåäèíå 1964 ãîäà íàøè ðàáîòû ïðèáëèçèòåëüíî ñîîòâåòñòâîâàëè óðîâíþ, êîòîðûé áûë äîñòèãíóò çà ðóáåæîì åùå ê àâãóñòó 1963 ãîäà.* 3. Îáíàðóæåíèå äæîçåôñîíîâñêîãî ýëåêòðîìàãíèòíîãî èçëó÷åíèÿ Íåñìîòðÿ íà òî ÷òî ìåõàíèçì âîçíèêíîâåíèÿ âåð- òèêàëüíûõ ó÷àñòêîâ íà ÂÀÕ òóííåëüíûõ êîíòàêòîâ áûë íàì íåèçâåñòåí, êàçàëîñü íåñîìíåííûì, ÷òî îí ñâÿçàí ñ ïåðåìåííûì òîêîì Äæîçåôñîíà. Äîêàçà- òåëüñòâîì ýòîãî ìîãëî áû áûòü ïðÿìîå îáíàðóæåíèå ýëåêòðîìàãíèòíîãî èçëó÷åíèÿ, ñîïðîâîæäàþùåãî ïåðåìåííûé ñâåðõïðîâîäÿùèé òîê. Ðåãèñòðàöèÿ èç- ëó÷åíèÿ ÿâèëàñü áû íåïîñðåäñòâåííûì ñâèäåòåëüñò- âîì òóííåëèðîâàíèÿ êóïåðîâñêèõ ïàð ñ èçëó÷åíèåì ôîòîíîâ — îäíîãî èç äâóõ ôóíäàìåíòàëüíûõ êâàí- òîâûõ ïðîöåññîâ, ïðåäñêàçàííûõ Äæîçåôñîíîì. Äî ýòîãî ñóùåñòâîâàëè ëèøü êîñâåííûå ñâèäåòåëüñòâà, óïîìèíàâøèåñÿ âûøå [6,7]. Áûëî èçâåñòíî, ÷òî íàïðÿæåíèå äîëæíî áûòü ñâÿçàíî ñ ÷àñòîòîé èçëó÷åíèÿ ñîîòíîøåíèåì Äæî- çåôñîíà: �� 2eV. (3) Êðîìå òîãî, áûëî çàìå÷åíî, ÷òî ïîëîæåíèå ñòóïå- íåé íà îñè íàïðÿæåíèé çàâèñåëî îò ðàçìåðîâ òóí- íåëüíîãî ïåðåõîäà. Áîëåå øèðîêèå ïëåíêè õàðàêòå- ðèçîâàëèñü ìåíüøèì ðàññòîÿíèåì ìåæäó ñîñåäíèìè ñòóïåíÿìè. Ýòî ïîçâîëÿëî ýìïèðè÷åñêèì ïóòåì ïî- äîáðàòü ïëåíêè òàêîé øèðèíû, ÷òîáû íàïðÿæåíèå, ïðè êîòîðîì íàáëþäàëàñü êàêàÿ-íèáóäü ñòóïåíü, ñîîòâåòñòâîâàëî ñîîòíîøåíèþ (3) äëÿ ÷àñòîòû, íà êîòîðîé âåäåòñÿ ðåãèñòðàöèÿ èçëó÷åíèÿ. Âûñîòà ñòóïåíåé çàâèñåëà îò ïîñòîÿííîãî ìàãíèòíîãî ïîëÿ, ïðèëîæåííîãî â ïëîñêîñòè òóííåëüíîãî ïåðåõîäà. Â êà÷åñòâå ïðèåìíèêà èçëó÷åíèÿ èñïîëüçîâàëè ðà- äèîìåòð ÑÂ× Ï5-10 äëÿ 3-ñàíòèìåòðîâîãî äèàïàçîíà äëèí âîëí. Åãî ïðåèìóùåñòâà çàêëþ÷àëèñü â âûñîêîé ïîðîãîâîé ÷óâñòâèòåëüíîñòè (� �10 16 Âò), ñàìîêàëèá- ðóåìîñòè, ñðàâíèòåëüíî íåáîëüøèõ ãàáàðèòàõ. Âïî- ñëåäñòâèè îêàçàëîñü, ÷òî èìåííî âûáîð â êà÷åñòâå ïðèåìíèêà ïðèáîðà ñ ìàêñèìàëüíîé ïîðîãîâîé ÷óâñò- âèòåëüíîñòüþ ðåøèë óñïåõ âñåãî ýêñïåðèìåíòà, òàê êàê ïåðâîíà÷àëüíî îáíàðóæåííàÿ ìîùíîñòü îêàçàëàñü î÷åíü ìàëîé (íà óðîâíå � �10 14 Âò), ðèñ. 4. Ýêñïåðèìåíòû ïðîâîäèëè ñëåäóþùèì îáðàçîì [12] (9.12.1964 ã.–03.1965 ã.). Ïîäáèðàëè ïëåíêè òàêîé øèðèíû, ÷òîáû íà ÂÀÕ íàáëþäàëàñü ñòóïåíü- êà ïðè òðåáóåìîì íàïðÿæåíèè (ïðèáëèçèòåëüíî 19,6 ìêÂ). Èç ðÿäà òóííåëüíûõ ñòðóêòóð âûáèðàëè òå, äëÿ êîòîðûõ êðèòè÷åñêèé òîê, îñöèëëèðóÿ, ïëàâíî óáûâàåò â ïîñòîÿííîì ìàãíèòíîì ïîëå, ïà- ðàëëåëüíîì ïëåíêàì (ïîäîáíî çàâèñèìîñòè, èçîáðà- æåííîé íà ðèñ. 2). Óäîâëåòâîðåíèå ýòîìó òðåáîâà- íèþ ñâèäåòåëüñòâîâàëî î ïîëó÷åíèè òîíêîãî è îäíîðîäíîãî ñëîÿ îêèñëà. Ïîñëå ýòîãî ïîäáèðàëè òàêîå çíà÷åíèå ìàãíèòíîãî ïîëÿ, ÷òîáû òðåáóåìàÿ ñòóïåíüêà èìåëà ìàêñèìàëüíóþ âûñîòó. Îáðàçåö ïðåäñòàâëÿë ñîáîé ñòåêëÿííóþ ïîäëîæêó 18 18 ìì (ïîêðîâíîå ñòåêëûøêî äëÿ ìèêðîñêîïà), íà êîòîðóþ â âûñîêîì âàêóóìå ïîä ïðÿìûì óãëîì äðóã ê äðóãó áûëè íàíåñåíû äâå îëîâÿííûå ïëåíêè øèðèíîé îêîëî 1 ìì è òîëùèíîé 10–4 ìì. Òîíêèé ñëîé äèýëåêòðèêà (òîëùèíîé 2 íì), ïîêðûâàþùèé ïåðâóþ ïëåíêó, ñîç- äàâàëñÿ åå îêèñëåíèåì â âîçäóõå èëè êèñëîðîäå. Òàêèì îáðàçîì, òóííåëüíûé ïåðåõîä ïðåäñòàâëÿë ñîáîé ìåñòî ïåðåñå÷åíèÿ ýòèõ ïëåíîê ðàçìåðàìè � 1 � 10–4 ìì. Îñòàëüíûå ýëåìåíòû ñòðóêòóðû ñëó- æèëè äëÿ ïîäêëþ÷åíèÿ òîêîâûõ è ïîòåíöèàëüíûõ ïðîâîäîâ. Òóííåëüíûé ïåðåõîä ðàñïîëàãàëè ïðè òåì- ïåðàòóðå æèäêîãî ãåëèÿ â ñòàíäàðòíîì 3-ñàíòèìåòðî- âîì âîëíîâîäå ïàðàëëåëüíî åãî øèðîêîé ñòåíêå íå- äàëåêî îò êîðîòêîçàìûêàþùåãî ïîðøíÿ. Ê äðóãîìó êîíöó âîëíîâîäà, âûõîäÿùåìó èç êðèîñòàòà, ïîä- êëþ÷àëè ïðèåìíèê Ï5-10. Íåñòàöèîíàðíûé ýôôåêò Äæîçåôñîíà: îáíàðóæåíèå ýëåêòðîìàãíèòíîãî èçëó÷åíèÿ Ôèçèêà íèçêèõ òåìïåðàòóð, 2004, ò. 30, ¹ 7/8 693 * Ìàòåðèàëû Êîëãåéòñêîé êîíôåðåíöèè ïî ñâåðõïðîâîäèìîñòè, îïóáëèêîâàííûå â ÿíâàðñêîì (1964 ã.) íîìåðå æóð- íàëà «Reviews of Modern Physics», ñòàëè íàì èçâåñòíû ëèøü îñåíüþ. 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 15 10 5 0 0 12 24 36 Íàïðÿæåíèå, ìêÂ Âðåìÿ 1,47 ìèí I, ì À Ì î ù í î ñò ü Ñ Â × è çë ó÷ å í è ÿ , ~ 1 0 Â ò – 1 4 à á Sn–SnO –Sn2 28.11.1964 T = 1,6 K f = 9800 ÌÃö0 Ðèñ. 4. Îäíîâðåìåííàÿ çàïèñü âîëüò-àìïåðíîé õàðàêòå- ðèñòèêè âáëèçè ñòóïåíè (à) è âûõîäíîãî ñèãíàëà ïðèåì- íèêà ÑÂ× ñ îáíàðóæåíèåì èçëó÷åíèÿ (á). Íà ðèñ. 4 íà÷àëüíûé ó÷àñòîê ÂÀÕ (ãðàôèê à) ïîêàçàí âìåñòå ñ çàïèñüþ âûõîäíîãî ñèãíàëà ïðèåì- íèêà èçëó÷åíèÿ (ãðàôèê á), îñóùåñòâëÿâøåéñÿ ïðè ïëàâíîì èçìåíåíèè òîêà (è íàïðÿæåíèÿ) ÷åðåç ïåðåõîä. Ñòóïåíü, óäîâëåòâîðÿþùàÿ ñîîòíîøåíèþ (3) äëÿ ÷àñòîòû f0, íà êîòîðóþ áûë íàñòðîåí ïðèåì- íèê, ðàñïîëîæåíà â ðàéîíå ìåòîê 6, 7. Ìåòêè 1–7 íà ãðàôèêàõ ðèñ. 4,à è á ñîîòâåòñòâóþò îäèíàêîâûì ìîìåíòàì âðåìåíè. Ïðèåìíèê Ï5-10 èìååò ñðàâíè- òåëüíî óçêóþ ïîëîñó ïðîïóñêàíèÿ (� 1 ÌÃö), ïîýòîìó ñèãíàë íàáëþäàåòñÿ ëèøü â îêðåñòíîñòè îïðåäåëåííîé òî÷êè íà ñòóïåíè. Ïðè íàñòðîéêå ïðè- åìíèêà íà äðóãóþ (áëèçêóþ) ÷àñòîòó, ýòà òî÷êà ïåðå- ìåùàåòñÿ íà ñòóïåíè â ñîîòâåòñòâèè ñ ñîîòíîøåíèåì (3). Ìîæíî çàìåòèòü òàêæå è íåêîòîðîå óâåëè÷åíèå ñèãíàëà â ðàéîíå ìåòêè 4, îòâå÷àþùåé ñîîòíîøåíèþ (1) ïðè n � 2, ò.å. íàáëþäàåìîå íåçíà÷èòåëüíîå óâå- ëè÷åíèå ñèãíàëà áûëî îáóñëîâëåíî âòîðîé ãàðìî- íèêîé äæîçåôñîíîâñêîãî èçëó÷åíèÿ. Ìîùíîñòü èç- ëó÷åíèÿ â ïåðâûõ ýêñïåðèìåíòàõ áûëà î÷åíü ìàëîé (� 10–14 Âò). Ýòî ñâÿçàíî ñ òåì, ÷òî ëèøü ìàëàÿ äîëÿ ãåíåðèðóåìîãî èçëó÷åíèÿ ïðîñà÷èâàåòñÿ â âîëíîâîä è ìîæåò áûòü çàðåãèñòðèðîâàíà. Áîëüøàÿ åãî ÷àñòü ðàññåèâàåòñÿ âíóòðè òóííåëüíîãî ïåðåõîäà, ïðåâðà- ùàÿñü â òåïëî. Êðîìå òîãî, â ïåðâûõ ýêñïåðèìåíòàõ ïîñòîÿííîå ìàãíèòíîå ïîëå áûëî íàïðàâëåíî âäîëü îñè âîëíîâîäà, è, ñëåäîâàòåëüíî, íàïðàâëåíèå ðàñ- ïðîñòðàíåíèÿ ýëåêòðîìàãíèòíîãî ïîëÿ, ãåíåðèðóåìî- ãî âîëíîé òîêà Äæîçåôñîíà, ñòðîãî ãîâîðÿ, áûëî îð- òîãîíàëüíî îñè. Òåì íå ìåíåå èç-çà íåîäíîðîäíîñòè ïîëÿ âáëèçè êðàåâ ïåðåõîäà çàìåòíàÿ ÷àñòü ýëåêòðî- ìàãíèòíîé ýíåðãèè èçëó÷àëîñü è âäîëü îñè âîëíîâî- äà, è ïîýòîìó ìîãëà áûòü çàðåãèñòðèðîâàíà. Â áîëåå ïîçäíèõ ýêñïåðèìåíòàõ [13] òèïè÷íàÿ ìîùíîñòü èç- ëó÷åíèÿ ñîñòàâëÿëà � 10–12 Âò è â íåêîòîðûõ ñëó÷à- ÿõ ìîãëà áûòü óâåëè÷åíà äî 10–9 Âò [14] çà ñ÷åò ëó÷- øåãî ñîãëàñîâàíèÿ ñ âíåøíèì ïðîñòðàíñòâîì. Ñàìà ïî ñåáå îáíàðóæåííàÿ ìîùíîñòü âåñüìà ìàëà, íî, ó÷è- òûâàÿ, ÷òî îíà ãåíåðèðóåòñÿ â îáúåìå ïîðÿäêà 10–6 ñì3, óäåëüíàÿ ìîùíîñòü ÑÂ× ñîñòàâëÿëà äî 10 ìÂò/ñì3 è ìîãëà áûòü äîâåäåíà äî 1–10 Âò/ñì3. Îñíîâíûì ïðå- èìóùåñòâîì äæîçåôñîíîâñêèõ òóííåëüíûõ ãåíåðàòî- ðîâ ÑÂ× ÿâëÿåòñÿ ëåãêîñòü, ñ êîòîðîé îíè ìîãóò áûòü âêëþ÷åíû â èíòåãðàëüíûå ïëåíî÷íûå ìèêðîñõåìû, ðà- áîòàþùèå ïðè íèçêèõ òåìïåðàòóðàõ è, ñëåäîâàòåëüíî, îáëàäàþùèå ìàëûìè øóìàìè. Ïðèåìíèê Ï5-10 â êà÷åñòâå îäíîãî èç âûõîäíûõ èíäèêàòîðîâ èìååò ãðîìêîãîâîðèòåëü, ôèêñèðóþùèé øóìîâîé ñèãíàë â ïîëîñå çâóêîâûõ ÷àñòîò. Ïðè íà- ñòðîéêå íà ðàáî÷óþ òî÷êó ÂÀÕ, óäîâëåòâîðÿþùóþ ñîîòíîøåíèþ ÷àñòîò Äæîçåôñîíà, øóì îáû÷íî çà- ìåòíî âîçðàñòàë. Èíòåðåñíî, ÷òî îäíàæäû âìåñòî øóìà ïðè äîñòèæåíèè íàïðÿæåíèÿ íà ïåðåõîäå, óäîâëåòâîðÿþùåãî ñîîòíîøåíèþ ÷àñòîò Äæîçåôñîíà (3), èç äèíàìèêà ïîñëûøàëàñü ìóçûêà. Îêàçàëîñü, ÷òî ñîáñòâåííàÿ øèðèíà ëèíèè äæîçåôñîíîâñêîãî èçëó÷åíèÿ îêàçàëàñü íàñòîëüêî óçêîé, ÷òî ñèãíàë Â× íàâîäêè îò áëèçëåæàùåé ðàäèîòðàíñëÿöèîííîé ñòàí- öèè ïðèâåë ê ÷àñòîòíîé ìîäóëÿöèè äæîçåôñîíîâñêî- ãî èçëó÷åíèÿ ÑÂ×. Ïîñëå äâîéíîãî ãåòåðîäèíèðîâà- íèÿ â ïðèåìíèêå Ï5-10 ñèãíàë ýòîé ðàäèîñòàíöèè áûë âîñïðîèçâåäåí â ãðîìêîãîâîðèòåëå. Òàêèì îáðàçîì, áëàãîäàðÿ íàøèìè ðàáîòàìè ïî ïðÿìîìó îáíàðóæåíèþ ýëåêòðîìàãíèòíîãî èçëó÷åíèÿ áûëà ïîñòàâëåíà òî÷êà â çàõâàòûâàþùåé öåïè îòêðû- òèé, ñâÿçàííûõ ñ ïðåäñêàçàíèÿìè Äæîçåôñîíà. Çà ðóáåæîì ýêñïåðèìåíòàëüíûå èññëåäîâàíèÿ íåñòàöèîíàðíîãî ýôôåêòà Äæîçåôñîíà ðàçâèâàëèñü ïðåæäå âñåãî â íàïðàâëåíèè âûÿñíåíèÿ ìåõàíèçìà êîñâåííûõ ïðîÿâëåíèé ñóùåñòâîâàíèÿ ïåðåìåííîãî ñâåðõïðîâîäÿùåãî òîêà. Ýêê, Ñêàëàïèíî è Òýéëîð [15] (18.05.–6.07.1964 ã.) â òóííåëüíûõ ïåðåõîäàõ ñâèíåö—îêèñåë—ñâèíåö îáíàðóæèëè øèðîêèé ðå- çîíàíñíûé ìàêñèìóì íà ÂÀÕ â îáëàñòè ñìåùåíèé ìåíüøå ïîëóøèðèíû ýíåðãåòè÷åñêîé ùåëè ñâèíöà ( ,� Pb � 1 34 ìýÂ). Ïîëîæåíèå ýòîãî ìàêñèìóìà áûëî ïðîïîðöèîíàëüíî íàïðÿæåííîñòè ìàãíèòíîãî ïîëÿ, ïðèëîæåííîãî â ïëîñêîñòè ïåðåõîäà. Ýòîò ìàêñè- ìóì âîçíèêàåò â ðåçóëüòàòå ñàìîäåòåêòèðîâàíèÿ áå- ãóùåé ýëåêòðîìàãíèòíîé âîëíû, âîçáóæäàåìîé áå- ãóùåé âîëíîé ïåðåìåííîãî òîêà Äæîçåôñîíà. Èç-çà áîëüøîãî çàòóõàíèÿ è ñòðóêòóðíûõ íåîäíîðîä- íîñòåé, õàðàêòåðíûõ äëÿ ñâèíöîâûõ òóííåëüíûõ ïåðåõîäîâ, îòðàæåíèÿ ýëåêòðîìàãíèòíûõ âîëí îò ãðàíèö ïåðåõîäà íå íàáëþäàëîñü. Íåñêîëüêî ïîçæå [16] ýòè æå àâòîðû íàáëþäàëè è îáúÿñíèëè ñòóïåí- ÷àòóþ ñòðóêòóðó äëÿ ñâèíöîâûõ ïåðåõîäîâ ëó÷øåãî êà÷åñòâà. Ñòóïåíè âîçíèêàëè êàê ñëåäñòâèå ñàìîäå- òåêòèðîâàíèÿ ðåçîíàíñíûõ òèïîâ ýëåêòðîìàãíèò- íûõ êîëåáàíèé, ãåíåðèðóåìûõ ïåðåìåííûì òîêîì Äæîçåôñîíà. Àíàëîãè÷íîå îáúÿñíåíèå äàëè Êóí è Ôèñêå [17] (5.10.1964 ã.–3.05.1965 ã.) äëÿ ñòóïåí- ÷àòîé ñòðóêòóðû îëîâÿííûõ òóííåëüíûõ ïåðåõîäîâ. Ê ñîæàëåíèþ, ïîñëåäíèå äâå ðàáîòû äîëãîå âðåìÿ îñòàâàëèñü íàì íåèçâåñòíû, è ìû íåçàâèñèìî ïðèøëè ê àíàëîãè÷íûì ðåçóëüòàòàì (ñì. [18] (18.05.–1.07.1965 ã.), [19] (12.06.–1.08.1965 ã.)). Ïàðàëëåëüíî ñ âûÿñíåíèåì ìåõàíèçìà ãåíåðàöèè äæîçåôñîíîâñêîãî èçëó÷åíèÿ äðóãèå èññëåäîâàòåëè ïðîâîäèëè ýêñïåðèìåíòû ïî åãî íåïîñðåäñòâåííîìó îáíàðóæåíèþ. Òàê, íàïðèìåð, â ðàáîòå [17] «... áû- ëà ïðåäïðèíÿòà ïîïûòêà îáíàðóæèòü èçëó÷åíèå ïó- òåì ïðèìåíåíèÿ ïåðåäàþùåé ëèíèè, ãëàäêî ðàñõî- äÿùåéñÿ îò � 1 íì — ðàññòîÿíèÿ ìåæäó ïëåíêàìè â òóííåëüíîì ïåðåõîäå — ê ìàêðîñêîïè÷åñêèì ðàçìå- ðàì êîàêñèàëüíîãî êàáåëÿ èëè âîëíîâîäà. Íèêàêîé ìîùíîñòè íå áûëî îáíàðóæåíî âïëîòü äî 10–12 Âò, íåñìîòðÿ íà òî ÷òî îäèí èç ïåðåõîäîâ äàâàë òóííåëü- 694 Ôèçèêà íèçêèõ òåìïåðàòóð, 2004, ò. 30, ¹ 7/8 È.Ê. ßíñîí íûé òîê 30 ìÀ ïðè íàïðÿæåíèè � 20 ìêÂ». Ñåé÷àñ ìû çíàåì, ÷òî ïðè÷èíà íåóäà÷è çàêëþ÷àëàñü â íåäîñ- òàòî÷íîé ÷óâñòâèòåëüíîñòè ïðèåìíèêà èçëó÷åíèÿ, òàê êàê ðàññîãëàñîâàíèå âîëíîâûõ ñîïðîòèâëåíèé òóííåëüíîãî ïåðåõîäà êàê ïîëîñêîâîé ëèíèè è ñòàí- äàðòíîãî âîëíîâîäà âåëèêî. 4. Ìåõàíèçì ãåíåðàöèè ýëåêòðîìàãíèòíîãî èçëó÷åíèÿ íà ðåçîíàíñíûõ ÷àñòîòàõ òóííåëüíîãî ïåðåõîäà Ìåæäó äâóìÿ ñâåðõïðîâîäíèêàìè, ðàçäåëåííûìè òîíêèì ñëîåì äèýëåêòðèêà, ìîãóò ðàñïðîñòðàíÿòüñÿ ýëåêòðîìàãíèòíûå âîëíû êàê â ïîëîñêîâîé ëèíèè. Ýòè âîëíû áûëè ðàññìîòðåíû Ñâèõàðòîì [20]. Îí ïîêàçàë, ÷òî ïðè òîëùèíå äèýëåêòðè÷åñêîé ïðîñëîé- êè ìíîãî ìåíüøåé, ÷åì ãëóáèíà ïðîíèêíîâåíèÿ ìàã- íèòíîãî ïîëÿ â ñâåðõïðîâîäíèê, ýëåêòðîìàãíèòíûå âîëíû ñèëüíî çàìåäëåíû. Ãëóáèíà ïðîíèêíîâåíèÿ ìàãíèòíîãî ïîëÿ â ñâåðõïðîâîäíèê ðàâíà � � L s / mc n e � � � � � � � � � 2 2 1 2 4 . Çäåñü å è m — çàðÿä è ìàññà ýëåêòðîíà, ñ — ñêî- ðîñòü ñâåòà, ns — ïëîòíîñòü ñâåðõïðîâîäÿùèõ ýëåê- òðîíîâ, êîòîðàÿ èìååò òîò æå ïîðÿäîê âåëè÷èíû, ÷òî è ïëîòíîñòü ýëåêòðîíîâ ïðîâîäèìîñòè â ìåòàëëå ïðè óñëîâèè, ÷òî òåìïåðàòóðà çíà÷èòåëüíî íèæå êðèòè- ÷åñêîé òåìïåðàòóðû Tc ïåðåõîäà â ñâåðõïðîâîäÿùåå ñîñòîÿíèå. Äëÿ îëîâà Tc = 3,7 Ê, � L = 50 íì. Òîë- ùèíà d äèýëåêòðè÷åñêîé ïðîñëîéêè â òóííåëüíîì ïåðåõîäå íå ïðåâûøàåò 2 íì. Ñëåäîâàòåëüíî, ýëåê- òðè÷åñêîå è ìàãíèòíîå ïîëÿ ðàçäåëåíû â ïðîñòðàíñò- âå. Ïåðâîå ñîñðåäîòî÷åíî â äèýëåêòðè÷åñêîì çàçîðå, à âòîðîå — â îñíîâíîì â ïðèïîâåðõíîñòíûõ ñëîÿõ ñâåðõïðîâîäíèêà, çàíèìàÿ â öåëîì âäîëü îñè x ðàñ- ñòîÿíèå � � � �2 100� L d íì (ðèñ. 5). Âîëíîâîå ñîïðîòèâëåíèå òàêîé ïîëîñêîâîé ëè- íèè íà íåñêîëüêî ïîðÿäêîâ íèæå âîëíîâîãî ñîïðî- òèâëåíèÿ ñâîáîäíîãî ïðîñòðàíñòâà, è ýëåêòðîìàã- íèòíûå âîëíû ïî÷òè ïîëíîñòüþ îòðàæàþòñÿ îò êðà- åâ òóííåëüíîãî ïåðåõîäà êàê îò îòêðûòîãî êîíöà ïåðåäàþùåé ëèíèè. Îãðàíè÷åííûé ñ äâóõ ñòîðîí òóííåëüíûé ïåðåõîä ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ïîëîñêî- âûé ðåçîíàòîð ñ ðåçîíàíñíûìè ÷àñòîòàìè � � n n L c� 0, n � 1 2 3, , ,... , îáðàòíî ïðîïîðöèîíàëüíûìè ðàçìåðó ïåðåõîäà L, âäîëü êîòîðîãî óñòàíàâëèâàåòñÿ ñòîÿ÷àÿ ýëåêòðî- ìàãíèòíàÿ âîëíà. Ôàçîâàÿ ñêîðîñòü çàìåäëåííîé ýëåêòðîìàãíèòíîé âîëíû ðàâíà c c d / 0 0 1 2 � � � �� è äëÿ òèïè÷íûõ çíà÷åíèé ïàðàìåòðîâ ïðèáëèçèòåëüíî â 20 ðàç ìåíüøå ñêîðîñòè ñâåòà c â ñâîáîäíîì ïðî- ñòðàíñòâå. Ýòî êàê ðàç è îçíà÷àåò, ÷òî òóííåëüíûé ïå- ðåõîä ñ ðàçìåðàìè íåñêîëüêî áîëüøå 1 ìì áóäåò ðåçî- íèðîâàòü â 3-ñàíòèìåòðîâîì äèàïàçîíå äëèí âîëí. Àíàëîãè÷íî òîìó, êàê â ýëåêòðîííûõ ïðèáîðàõ ÑÂ× ìîäóëèðîâàííûé ïî ïëîòíîñòè ýëåêòðîííûé ëó÷ âîçáóæäàåò çàìåäëåííûå ýëåêòðîìàãíèòíûå âîëíû, â ñâåðõïðîâîäÿùåì òóííåëüíîì ïåðåõîäå âîëíà ïëîòíîñòè ñâåðõïðîâîäÿùåãî òîêà Äæîçåôñî- íà j z tx( , ) âîçáóæäàåò ðåçîíàíñíûå ýëåêòðîìàãíèò- íûå êîëåáàíèÿ ìèíèàòþðíîãî ÑÂ× ðåçîíàòîðà, ñî- ñòàâëåííîãî èç ïåðåñåêàþùèõñÿ ñâåðõïðîâîäÿùèõ ïëåíîê (ðèñ. 5). Òîê Äæîçåôñîíà òå÷åò âäîëü îñè õ, ò.å. ìåæäó ñâåðõïðîâîäÿùèìè ïëåíêàìè. Åãî çàâè- ñèìîñòü îò âðåìåíè îïðåäåëÿåòñÿ ÷àñòîòîé (3). Çàâèñèìîñòüþ ïëîòíîñòè òîêà Äæîçåôñîíà îò êîîð- äèíàò ìîæíî óïðàâëÿòü ñ ïîìîùüþ ïîñòîÿííîãî ìàãíèòíîãî ïîëÿ Í0, ïðèëîæåííîãî â ïëîñêîñòè ïåðåõîäà. Â ïðîñòåéøåì ñëó÷àå äîñòàòî÷íî ñëàáîé ñâÿçè ìåæäó äâóìÿ ñâåðõïðîâîäíèêàìè (ò.å. ïðè äîñòàòî÷íî ìàëîé ïðîçðà÷íîñòè áàðüåðà äëÿ òóííå- ëèðîâàíèÿ êóïåðîâñêèõ ïàð) ýòà çàâèñèìîñòü íîñèò ãàðìîíè÷åñêèé õàðàêòåð äëÿ íàïðàâëåíèÿ z, ëåæà- ùåãî â ïëîñêîñòè ïåðåõîäà, íî ïåðïåíäèêóëÿðíîãî âíåøíåìó ìàãíèòíîìó ïîëþ: j j t kzc� �sin( );� k e H c � 2 0� ; � � 2eV � . Ôàçîâàÿ ñêîðîñòü âîëíû ïëîòíîñòè òîêà Äæî- çåôñîíà ðàâíà v k c V Hp � � � � 0 è çàâèñèò êàê îò íàïðÿæåíèÿ íà ïåðåõîäå V, òàê è îò ìàãíèòíîãî ïîëÿ H0, ñ ïîìîùüþ êîòîðîãî åþ ìîæíî óïðàâëÿòü íåçàâèñèìî îò âîçáóæäàåìûõ ýëåêòðîìàãíèòíûõ âîëí. Ìàêñèìàëüíîå âçàèìîäåé- ñòâèå âîëíû ïëîòíîñòè òîêà Äæîçåôñîíà è ýëåêòðî- ìàãíèòíîé âîëíû â òóííåëüíîì ïåðåõîäå îñóùåñòâ- Íåñòàöèîíàðíûé ýôôåêò Äæîçåôñîíà: îáíàðóæåíèå ýëåêòðîìàãíèòíîãî èçëó÷åíèÿ Ôèçèêà íèçêèõ òåìïåðàòóð, 2004, ò. 30, ¹ 7/8 695 W d y x jx jx z Ex k �L �L L H0 Hy Ðèñ. 5. Ìîäåëü òóííåëüíîãî ïåðåõîäà è ýëåêòðîìàãíèò- íûå ïîëå è òîê â íåì. ëÿåòñÿ ïðè ðàâåíñòâå ôàçîâûõ ñêîðîñòåé ïîëÿ è ïëîòíîñòè òîêà. Ýòî óñëîâèå îòâå÷àåò ðàâåíñòâó V c c H� 0 0, äàþùåìó çíà÷åíèå ìàãíèòíîãî ïîëÿ, ïðè êîòîðîì ñàìîèíäóöèðîâàííàÿ ñòóïåíü íà âîëüò-àìïåðíîé õà- ðàêòåðèñòèêå òóííåëüíîãî ïåðåõîäà èìååò ìàêñè- ìàëüíóþ âûñîòó. Ýòî ñîîòíîøåíèå ñîîòâåòñòâóåò òàêæå ðàâåíñòâó äëèíû âîëíû ïëîòíîñòè òîêà Äæî- çåôñîíà äëèíå âîëíû ýëåêòðîìàãíèòíîãî ïîëÿ. Ïðè óâåëè÷åíèè ìàãíèòíîãî ïîëÿ H0 äëèíà âîëíû òîêà Äæîçåôñîíà óìåíüøàåòñÿ è ïðîèñõîäèò ðàñôàçè- ðîâêà âîëíû òîêà è âîçáóæäàåìîãî ïîëÿ. Îäíàêî êàæäûé ðàç, êîãäà âîëíà ïëîòíîñòè òîêà ñîñòàâëÿåò öåëîå êðàòíîå îò âîëíû ïîëÿ, ýôôåêòèâíîñòü âçàè- ìîäåéñòâèÿ âíîâü âîçðàñòàåò. Ïîýòîìó èíòåíñèâ- íîñòü ãåíåðàöèè íà äàííîì òèïå êîëåáàíèé, à âìå- ñòå ñ íåé è âûñîòà ñîîòâåòñòâóþùåé ñòóïåíè íà âîëüò-àìïåðíîé õàðàêòåðèñòèêå îñöèëëèðóåò ïðè óâåëè÷åíèè ìàãíèòíîãî ïîëÿ, ïðè÷åì àìïëèòóäà ýòèõ îñöèëëÿöèé ïîñòåïåííî óáûâàåò. Íà ðèñ. 6 ïîêàçàíû çàâèñèìîñòè âûñîòû ñàìîèí- äóöèðîâàííûõ ñòóïåíåé íà ÂÀÕ äæîçåôñîíîâñêîãî òóííåëüíîãî ïåðåõîäà Sn–SnO2–Sn îò âíåøíåãî ìàãíèòíîãî ïîëÿ. Íîìåð n êàæäîé ñòóïåíè óêàçàí âîçëå ñîîòâåòñòâóþùåãî ãëàâíîãî ìàêñèìóìà, ïîëî- æåíèå êîòîðîãî íà îñè íàïðÿæåíèé êàê ôóíêöèè ïîëÿ ïðèâåäåíî íà âñòàâêå ê ýòîìó ðèñóíêó. Îòêëî- íåíèå êðèòè÷åñêîãî òîêà Äæîçåôñîíà (ñîîòâåòñò- âóþùåãî n = 0) îò çàâèñèìîñòè (2) îáóñëîâëåíî òåì, ÷òî äàííûé ïåðåõîä, êàê è òîò, íà êîòîðîì âïåðâûå áûëî îáíàðóæåíî èçëó÷åíèå, èìååò ðàçìåðû, ïðå- âûøàþùèå äæîçåôñîíîâñêóþ ãëóáèíó ïðîíèêíî- âåíèÿ. Ñõåìà àâòîìàòè÷åñêîé ðåãèñòðàöèè ýòèõ êðèâûõ ðàáîòàåò òàêèì îáðàçîì, ÷òî çàâèñèìîñòü êàæäîé ïîñëåäóþùåé ñòóïåíè îò ïîëÿ ìîæåò áûòü çàôèêñèðîâàíà, åñëè òîëüêî îíà ðàñïîëîæåíà íà ÂÀÕ ïðè áîëüøèõ òîêàõ, ÷åì ïðåäûäóùàÿ. Îäèíà- êîâûì ñòóïåíÿì (êðîìå n = 0) ñîîòâåòñòâóåò îäèíà- êîâàÿ øòðèõîâêà ïðè îãèáàþùåé â âèäå ñïëîøíîé ëèíèè èëè îäèíàêîâûé âèä îãèáàþùåé ïðè îòñóòñò- âèè øòðèõîâêè. Íàáëþäàåìàÿ ñëîæíàÿ çàâèñèìîñòü â öåëîì î÷åíü õîðîøî îïèñûâàåòñÿ ñóùåñòâóþùåé òåîðèåé. 5. Íåêîòîðûå ïåðñïåêòèâû äàëüíåéøåãî ðàçâèòèÿ èññëåäîâàíèé è ïðèëîæåíèé íåñòàöèîíàðíîãî ýôôåêòà Äæîçåôñîíà Íåñìîòðÿ íà òî ÷òî ýôôåêòû Äæîçåôñîíà áûëè îòêðûòû óæå ñðàâíèòåëüíî äàâíî, èõ èññëåäîâàíèå è ðàçðàáîòêà ïðîäîëæàþòñÿ èíòåíñèâíî è â íàñòîÿ- ùåå âðåìÿ. Öåëàÿ îáëàñòü íèçêîòåìïåðàòóðíîé ýëåêòðîíèêè ñâÿçàíà ñ ïðèìåíåíèåì òàê íàçû- âàåìûõ ñêâèäîâ — ñâåðõïðîâîäÿùèõ êâàíòîâûõ èí- òåðôåðåíöèîííûõ óñòðîéñòâ, îñíîâàííûõ íà î÷åíü âûñîêîé ÷óâñòâèòåëüíîñòè òîêà Äæîçåôñîíà ê ïî- ñòîÿííîìó ìàãíèòíîìó ïîëþ. Ñêâèäû èñïîëüçóþò êàê äàò÷èêè, îáëàäàþùèå ðåêîðäíîé ÷óâñòâèòåëü- íîñòüþ ê íàïðÿæåííîñòè è ãðàäèåíòó íàïðÿæåííî- ñòè ìàãíèòíîãî ïîëÿ, äëÿ óñèëåíèÿ è èçìåðåíèÿ ìà- ëûõ òîêîâ è íàïðÿæåíèé. Îíè íàõîäÿò ïðèìåíåíèÿ â ãåîëîãîðàçâåäêå ïðè ïîèñêå ïîëåçíûõ èñêîïàå- ìûõ, â ìåäèöèíñêîé äèàãíîñòèêå, ñîñòàâëÿÿ îñíîâó òàêèõ ïðèáîðîâ, êàê ìàãíèòîêàðäèîãðàôû è ìàãíè- òîýíöåôàëîãðàôû, è â äðóãèõ îáëàñòÿõ. Äæîçåôñîíîâñêèå òóííåëüíûå ïåðåõîäû êàê íå- ëèíåéíûå ýëåìåíòû ìîãóò èñïîëüçîâàòüñÿ äëÿ ñìå- øåíèÿ ñèãíàëîâ, ïðåîáðàçîâàíèÿ ÷àñòîò, ãåíåðàöèè ãàðìîíèê è äåòåêòèðîâàíèÿ ýëåêòðîìàãíèòíîãî èçëó- ÷åíèÿ â äèàïàçîíå ÷àñòîò âïëîòü äî ïîðîãîâîé ÷àñòî- òû, ñîîòâåòñòâóþùåé âåëè÷èíå ýíåðãåòè÷åñêîé ùåëè â ñïåêòðå êâàçè÷àñòè÷íûõ âîçáóæäåíèé. Ïîñëåäíÿÿ äëÿ òàêèõ ñâåõïðîâîäíèêîâ, êàê ñâèíåö è îëîâî, ëå- æèò â äàëüíåé èíôðàêðàñíîé îáëàñòè ñïåêòðà, à äëÿ ñâåðõïðîâîäíèêîâ ñ áîëåå âûñîêèìè êðèòè÷åñêèìè òåìïåðàòóðàìè (íàïðèìåð, Nb3Sn èëè íîâûå âûñîêî- òåìïåðàòóðíûå ìàòåðèàëû: YBa2Cu3O7–d è äð.) — â ÈÊ îáëàñòè. Â ïîñëåäíåå âðåìÿ âîçðîäèëñÿ èíòåðåñ ê ïðèìåíåíèþ äæîçåôñîíîâñêèõ ïåðåõîäîâ â êà÷åñòâå àêòèâíûõ ïðèáîðîâ ÑÂ× (ãåòåðîäèíîâ, ñìåñèòåëåé è ïðåîáðàçîâàòåëåé ÷àñòîòû) â èíòåãðàëüíûõ òîíêîïëå- íî÷íûõ ñõåìàõ. Îò îäíîãî òóííåëüíîãî ïåðåõîäà óäà- åòñÿ ïîëó÷èòü ìîùíîñòü ÑÂ× äî 10–7 Âò, à îò ñèñòåìû ñâÿçàííûõ ïåðåõîäîâ — äî 1 ìêÂò. Ïðè ýòîì èñïîëü- çóþòñÿ òóííåëüíûå áàðüåðû áîëåå âûñîêîé ïðîçðà÷- íîñòè. Â ýòîì ñëó÷àå ïëîòíîñòü òîêà Äæîçåôñîíà, âîçáóæäàþùåãî ðåçîíàíñíûå ìîäû ïîëîñêîâîãî ðå- çîíàòîðà, ðàñïðîñòðàíÿåòñÿ â ïåðåõîäå íå â âèäå áå- ãóùåé âîëíû, à â ôîðìå ñîëèòîíà, ïðåäñòàâëÿþùåãî ñîáîé êâàíò ìàãíèòíîãî ïîòîêà, ìíîãîêðàòíî îòðà- æåííûé îò êðàåâ ïåðåõîäà. Ýòîò ñîëèòîí, êîòîðûé íàçûâàþò òàêæå ôëóêñîíîì, ïîðîæäàåòñÿ ñàìèì òóí- 696 Ôèçèêà íèçêèõ òåìïåðàòóð, 2004, ò. 30, ¹ 7/8 È.Ê. ßíñîí 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 H , êÝ 0 0,4 0,8 1,2 H , êÝ 12 10 8 6 4 2 240 160 80 I, ì À V , ì êÂI (H )c 0 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1213 14 15 Ðèñ. 6. Âûñîòû ñîáñòâåííûõ ñòóïåíåé íà ÂÀÕ äæîçåô- ñîíîâñêîãî òóííåëüíîãî ïåðåõîäà âî âíåøíåì ìàãíèòíîì ïîëå. íåëüíûì òîêîì, ïðè ýòîì âíåøíåå ïîñòîÿííîå ìàã- íèòíîå ïîëå îòñóòñòâóåò. Ãîâîðÿ î ïåðñïåêòèâíûõ ïðèëîæåíèÿõ íåñòàöèî- íàðíîãî ýôôåêòà Äæîçåôñîíà, íåëüçÿ íå óïîìÿíóòü êâàíòîâûå ñòàíäàðòû íàïðÿæåíèÿ, óæå äàâíî ïðè- íÿòûå â ðÿäå ñòðàí êàê ïåðâè÷íûå ãîñóäàðñòâåííûå ñòàíäàðòû âîëüòà. Òàêèå ïðèáîðû ëåãêî ñðàâíèâàòü äðóã ñ äðóãîì, òàê êàê â îñíîâå èõ ïîâåðêè ëåæèò ñðàâíåíèå ÷àñòîò ýòàëîííîãî è ïîâåðÿåìîãî ïðè- áîðîâ. Ïðåöèçèîííûå èçìåðåíèÿ ñîîòíîøåíèÿ (1) ïîçâîëèëè óòî÷íèòü îòíîøåíèå ôóíäàìåíòàëüíûõ ïîñòîÿííûõ h/å è ëèêâèäèðîâàòü íåêîòîðûå êàæó- ùèåñÿ ïðîòèâîðå÷èÿ ìåæäó ïðåäñêàçàíèÿìè êâàíòî- âîé ýëåêòðîäèíàìèêè è ýêñïåðèìåíòîì, âîçíèêàâøèå èç-çà èñïîëüçîâàíèÿ ïðåæíåãî íåòî÷íîãî çíà÷åíèÿ ýòîãî îòíîøåíèÿ [21]. 1. B.D. Josephson, Phys. Lett. 1, 251 (1962). 2. P.W. Anderson, Phys. Today 23, No. 11, 23 (1970). 3. J. Bardeen, Phys. Rev. Lett. 9, No. 4, 147 (1962). 4. P.W. Anderson and J.M.Rowell, Phys. Rev. Lett. 10, 230 (1963). 5. J.M. Rowell, Phys. Rev. Lett. 11, 200 (1963). 6. S. Shapiro Phys. Rev. Lett. 11, 80 (1963). 7. M.D. Fiske, Rev. Mod. Phys. 36, 221 (1964). 8. P.W. Anderson and A.H. Dayem, Phys. Rev. Lett. 13, 195 (1964). 9. I. Giaever, Phys. Rev. Lett. 5, 148 (1960). 10. È.Î. Êóëèê, È.Ê. ßíñîí, Ýôôåêò Äæîçåôñîíà â ñâåðõïðîâîäÿùèõ òóííåëüíûõ ñòðóêòóðàõ, Íàóêà, Ìîñêâà (1970). 11. È.Ê. ßíñîí, Â.Ì. Ñâèñòóíîâ, È.Ì. Äìèòðåíêî, ÆÝÒÔ 47, 2091 (1964). 12. È.Ê. ßíñîí, Â.Ì. Ñâèñòóíîâ, È.Ì. Äìèòðåíêî, ÆÝÒÔ, 48, 976 (1965). 13. D.N. Langenberg, D.J. Scalapino, B.N. Taylor, and R.E. Eck, Phys. Rev. Lett. 15, 294 (1965). 14. È.Ì. Äìèòðåíêî, È.Ê. ßíñîí, Òðóäû 10-é Ìåæäó- íàðîäíîé êîíôåðåíöèè ïî ôèçèêå íèçêèõ òåìïåðà- òóð (LT-10), Ìîñêâà, ò. IIA (1966), ñ. 228. 15. R.E. Eck, D.J. Scalapino, and B.N. Taylor, Phys. Rev. Lett. 13, 15 (1964). 16. R.E. Eck, D.J. Scalapino, and B.N. Taylor; LT-9, part A (1964), p. 415. 17. D.D. Coon and M.D. Fiske, Phys. Rev. 138, 744 (1965). 18. È.Ì. Äìèòðåíêî, È.Ê. ßíñîí, ÆÝÒÔ 49, 1741 (1965). 19. È.Î. Êóëèê, Ïèñüìà â ÆÝÒÔ 2, 134 (1965). 20. J.C. Swihart, J. Appl. Phys. 32, 461 (1961). 21. W.H. Parker, B.N. Taylor, and D.N. Langenberg, Phys. Rev. Lett. 18, 287 (1967). Nonstationary Josephson effect: observation of electromagnetic radiation I.K. Yanson The history of discovery of the Josephson ef- fect and the first steps in its study are reviewed. The experiments on tunnelling in superconduc- tors which led to the first direct observation of Josephson electromagnetic radiation at the Insti- tute for Low Temperature Physics and Engi- neering, Kharkov, in sixties, are described in de- tail. The experimental data are illustrated by the original curves with the date of their recordings. The physical mechanism of high frequency irra- diation in superconducting tunnel junctions is considered. Some of the most promising applica- tions of the nonstationary Josephson effect are briefly described. Íåñòàöèîíàðíûé ýôôåêò Äæîçåôñîíà: îáíàðóæåíèå ýëåêòðîìàãíèòíîãî èçëó÷åíèÿ Ôèçèêà íèçêèõ òåìïåðàòóð, 2004, ò. 30, ¹ 7/8 697

Нестационарный эффект Джозефсона: обнаружение электромагнитного излучения

Репозитарії

Схожі ресурси