Квантовый эффект Джозефсона и его применение при построении эталона вольта

За последние десятилетия для построения эталонов стали применять новые физические эффекты, достаточно изученные физиками: квантовый эффект Джозефсона, квантовый эффект Холла, эффект Мейснера, эффект Мессбауэра и др. особенно важное значение в развитии эталонной измерительной техники, а в будущем и рабочих средств измерений имеют квантовые эффекты Джозефсона и Холла.

Квантовый эффект Джозефсона и его применение при построение эталона вольта. При температуре ниже определенной, свойственной данному металлу или сплаву, называемой критической температурой Т_кр, он переходит в особое, сверхпроводящее состояние, в котором электрические и магнитные свойства принципиально отличаются от тех, которые металл (сплав) имеет при обычных температурах.

В сверхпроводнике:

полностью отсутствует сопротивление постоянному электрическому току;

магнитный поток в сверхпроводящем кольце остается неизменным во времени;

внешние магнитное поле не проникает в глубь сверхпроводника, если напряженность поля Н< Н_кр (свойство идеального диамагнетизма). Имеют место и другие эффекты.

Возникновение сверхпроводящего состояния принято объяснять появление особого вида носителей электрического заряда – связанных электронных пар (куперовских пар), образуемых при Т< Т_кр. Объедините электронов в пары, как полагают, вызвано колебанием кристаллической решетки, что приводит к появлению эффективной силы фонового притяжения между электронами в сверхпроводнике (сила взаимного притяжения между электронами существует и в обычных условиях, но она в 5 ^.10⁴⁵ раз меньше силы их кулоновского отталкивания). Энергия связи куперовской пары имеет порядок 10^-3 эВ (1 эВ = 1,6 ^.10^-19 Дж). При Т = 0 К все электроны в сверхпроводнике оказываются попарно связаны.

Эффект Джозефсона возникает между двумя сверхпроводниками, образующими туннельный контакт. Если два проводника (в обычном сотсоянии0 разделены окисной пленкой толщиной порядка 10^-7 см, то из-за туннельного эффекта электроны переходят из одного проводника в другой и между ними устанавливается электрическое равновесие (разность потенциалов между проводниками равно нулю). Если же к проводникам приложить извне разность потенциалов, то через туннельный контакт будет протекать электрический ток.

Если туннельный контакт образуется между двумя сверхпроводниками, то возникает эффект Джозефсона (стационарный или нестационарный), открытый английским ученным Б.Джозефсоном в 1962 г. Туннельный контакт при этом часто называют джозефсоновским.

Стационарный эффект Джозефсона состоит в том, что при нулевой разности потенциалов через туннельный контакт в сверхпроводнике течет малый постоянный электрический ток.

Нестационарный эффект Джозефсона возникает в случае, когда к джозефсоновскому контакту прикладывается постоянное напряжение U. При этом через контакт будет протекать переменный ток.

i(t) = I₀sin[φ₀ + (2e/hUt],

Где I₀ и φ₀ – постоянные величины, характеризующие амплитуду силы постоянного электрического тока и начальную фазу соответственно; e = 1,602 х 10^-19 Кл – заряд электрона (с точностью до 3-го знака после запятой); h = 6,626 ^. 10^-34 Дж ^. с  – постоянная Планка.

Джозефсоновский контакт, на котором поддерживается постоянная разность потенциалов, испускаем электромагнитное излучение с частотой w.

Из этого следует очевидное выражение

ω = (2e/h)U

где ω = 2πf – круговая частота.

Величина ω/U=2e/h = 483,59767 МГц/мкВ является постоянной Джозефсона.

Нестандартный эффект Джезефсона обратим: если джозефмоновский контакт облучать электромагнитным полем с частотой w, то на контакте напряжение будет ступенчатым образом изменяться в зависимости от частоты внешнего электромагнитного поля с зависимостью

U = n(h/2e)f

Где f – частота электромагнитного поля.

При выполнении равенства 2eU = nhf каждый раз при увеличении числа n на единицу будут наблюдаться резкие ступеньки. Интервал между последовательными ступеньками достигает 4 – 5 мВ.

В России государственный первичный эталон ЭДС и постоянного напряжения воспроизводит вольт с помощью эффекта Джозефсона. Размер единицы вольта передается вторичному эталону, в качестве которого применяется группа термостатированных насыщенных элементов. При повышении точности определения значение величины (2e/h), ожидаемого в ближайшие годы, точность «джозефсоновского вольта» может возрасти более чем на 1 порядок.

Государственный первичны эталон единицы ЭДС и постоянного напряжения на основе эффекта Джозефсона имеет погрешность воспроизведения, оцениваемую средним квадратическим отклонением результата измерений, 5 ^. 10^-9; неисключенная систематическая погрешность составляет 5 ^. 10^-9. Вторичный эталон в виде группы насыщенных термостатированных НЭ имеет среднее квадратическое отклонение результата измерений 1,3 ^. 10^-8.