6.11 Сверхпроводимость и эффект Джозефсона

Главная ／ Глава 6: Квантовая область

I. Явления и вопросы

При достаточно сильном охлаждении некоторых металлов и керамик сопротивление падает ниже порога измерения, и ток годами циркулирует без затухания. Внешнее магнитное поле вытесняется из объёма и проникает только в виде квантованных трубок потока. Если разделить два сверхпроводника тончайшим изолятором, возникает стабильный ток даже без напряжения; при СВЧ-облучении на вольт-амперной характеристике появляются ступени напряжения.

Эти признаки — нулевое сопротивление, идеальный диамагнетизм (с квантованным проникновением), безындукционный сверхток и СВЧ-ступени — порождают естественные вопросы: почему «трение» исчезает при охлаждении? почему поле входит лишь квантами? как течёт ток через изолятор и зачем микроволны вырезают аккуратные плато?

II. Толкование в терминах Energy Filament Theory (EFT): фазово сцепленные электронные пары, коллективное закрытие каналов потерь, когерентная «эстафета» через барьер

1. Сначала спарить, затем «сшить» фазу.
   В EFT электрон — устойчивое одноцикловое наматывание; его внешняя оболочка связана с морем энергии (Energy Sea) и кристаллической решёткой. Охлаждение ослабляет дрожание решётки и, в ряде материалов, «выпрямляет» коридор натяжения, по которому два электрона следуют друг за другом и образуют электронную пару. Спаривание гасит или занижает множество каналов рассеяния. Дальнейшее охлаждение выравнивает внешние фазы пар и раскладывает по образцу общую фазовую «ковровую дорожку».
2. Почему сопротивление равно нулю: потери закрываются коллективно.
   Обычное сопротивление рождается из множества мелких путей утечки энергии — на примесях, фононах, шероховатостях. Когда фазовый «ковёр» постелен, локальные морщины, разрушающие когерентность, почти не зарождаются; порог потерь резко растёт. Пока возбуждение не рвёт ковёр, ток не излучает энергию — видим нулевое сопротивление.
3. Почему выталкивание и квантование потока: фаза не даёт себя крутить.
   Гладкая фазовая ткань не должна произвольно скручиваться полем. На поверхности возникают экранирующие токи и выталкивают поле (эффект Мейсснера). В некоторых материалах поле допускается в виде тонких трубок, каждая из которых требует целого числа фазовых обходов — это квантование потока. Удобно представлять трубку как полый «ядро натяжения», вокруг которого обегает фаза; трубки отталкиваются и образуют геометрические решётки.
4. Почему течёт ток Джозефсона: когерентная передача через почти критическую щель.
   Две фазовые «дорожки», разделённые ультратонким изолятором, создают узкую щель в околопороговом состоянии. Через неё фазы по обе стороны передают эстафету когерентно: не отдельные электроны «проталкиваются», а короткий фазовый мостик прострачивается между берегами.
   • Если обе стороны идут в такт, мостик постоянно передаёт фазу — течёт стационарный сверхток без напряжения (dc-Джозефсон).
   • Если такты различаются — из-за постоянного напряжения или СВЧ-привода —, фазовая разность равномерно нарастает или залипает на внешней частоте; мостик «качает» сверхток заданным ритмом, что даёт переменную реакцию и ступени напряжения под микроволнами.
5. Почему не везде идеально: дефекты и разрывы вновь открывают потери.
   Большие токи, сильные поля, повышенная температура или центры пиннинга для квантованных вихрей тянут «ковёр», проделывают в нём отверстия и выпускают энергию: наблюдаем критический ток, пики потерь и нелинейности.

III. Типичные сцены

• Две «семьи» сверхпроводников.
  Одни почти полностью выталкивают поле и резко «ломаются» за порогом; другие пропускают поток трубками, при больших полях формируют вихревые решётки и продолжают нести ток. Это разные допуски фазовой ткани к магнитной закрутке.
• Сверхпроводящие кольца и персистентные токи.
  В замкнутой петле фаза должна сделать целое число оборотов; без разрывов ток сохраняется. Если навести нецелое число квантов потока, система перескакивает к ближайшему целому — получаются дискретные, устойчивые состояния.
• Туннельные переходы и слабые связи.
  В ультратонкой щели течёт сверхток при нулевом смещении; под микроволнами напряжение блокируется на регулярных ступенях — признак внешней синхронизации фазы.
• Параллельные петли: интерферометры.
  Два «фазовых мостика», замкнутые в кольцо, набирают различные сдвиги фазы от внешнего потока; суммарный сверхток периодически осциллирует с потоком — основа сверхчувствительной магнитометрии.

IV. Наблюдаемые «отпечатки»

• Резкий переход к нулевому сопротивлению при критической температуре.
• Идеальный диамагнетизм или геометрические массивы флюс-трубок.
• Сверхток без смещения и чёткий критический ток.
• Ступени напряжения под СВЧ (блокировка фазы).
• Интерференционная периодичность в кольцах.
• Пиннинг и скольжение вихрей: дефекты снижают потери и повышают критический ток; скользящие вихри дают диссипативные пики.

V. Согласование с основной теорией

• В мейнстриме конденсат пар описывают макроскопическим параметром порядка (комплексная амплитуда с фазой). Нулевое сопротивление — это безынерционный фазовый поток; диамагнетизм — нежелание фазы скручиваться; квантование потока и вихри — требование целочисленных обходов.
• EFT даёт осязаемую геометрию: электронная пара = спаренные наматывания; фазовый ковёр = общее фазовое поле по образцу; нулевое сопротивление = коллективно закрытые каналы потерь; квантование потока = топологические дефекты с полым ядром; эффект Джозефсона = короткий фазовый мостик через квази-критическую щель. Феноменология и количественные связи совпадают; EFT лишь пересказывает её языком «филаментов и моря».

VI. В заключение

Сверхпроводимость — это не «внезапная идеальность» электронов. Сначала пары, затем блокировка фазы, и, наконец, эстафета через барьер:

• При мягком возбуждении ковёр закрывает потери → сопротивление ноль.
• Он не терпит произвольной закрутки → поле выталкивается либо входит только в виде квантованных вихрей.
• Между двумя коврами шьётся фазовый мостик в квази-критической щели → сверхток при нулевом смещении; под микроволнами фаза блокируется на аккуратных ступенях.