Efecte Josephson

Una unió de Josephson real. La llínea horisontal és el primer electrodo, mentres que la llínea vertical és el segon electrodo. El quadrat que les separa és un aïllant que té en el centre a on es troben els dos electrodos una chicoteta obertura a través de la qual està la verdadera unió Josephson.

El efecte Josephson és un efecte físic que es manifesta per l'aparició d'una corrent elèctrica per efecte túnel entre dos superconductores separats. El físic britànic Brian David Josephson va predir tal efecte en 1962 Un any més tart, les unions Josephson varen ser construïdes per primera volta per Anderson i Rowell. Estos treballs li varen valdre a Josephson el premi Nobel de física en 1973 (junt en Leo Esaki i Ivar Giaever).

Descripció

Segons la teoria BCS, la corrent elèctrica en els superconductores no la transporten electrons simples com seria el cas normal, sino parells d'electrons, els cridats parells de Cooper.

Quan els dos superconductores estan separats per una capa d'un mig aïllant o un metal no superconductor d'uns pocs nanómetros, els parells de Cooper poden travessar la barrera per efecte túnel, un efecte característic de la mecànica quàntica. Encara que els parells de Cooper no poden existir en un aïllant o un metal no superconductor, quan la capa que separa els dos superconductores és lo suficientment estreta, estos la poden travessar i guardar la seua coherència de fase. És la persistència d'esta coherència de fase lo que dona lloc a l'efecte Josephson.

Les equacions bàsiques que governen la dinàmica de l'efecte Josephson són:

___MATH_0___   (equació de l'evolució de fase superconductora)

___MATH_1___   (relació de Josephson o d'enllaç dèbil corrent-fase)

a on ___MATH_2___) i ___MATH_3___ són els voltages i la corrent a través de l'unió de Josephson, ___MATH_4___ és la diferència de fase entre les funcions d'ona en els dos superconductores que formen l'unió, i ___MATH_5___ és una constant, la corrent crítica de l'unió. La corrent crítica és un paràmetro experimental important del dispositiu que pot alterar-se tant per la temperatura com per un camp magnètic aplicat. La constant física, ___MATH_6___ és el quant de fluix magnètic, l'inversa del com és la constant de Josephson.

Es distinguixen dos tipos d'efecte Josephson, l'efecte Josephson continu (D.C. Josephson effect en anglés) i l'efecte Josephson altern (A.C. Josephson effect en anglés).

Efecte Josephson altern

En un voltage fix ___MATH_7___ entre les unions, la fase variarà linealment en el temps i la corrent serà una corrent alterna en una amplitut de ___MATH_8___ i una freqüència de ___MATH_9______MATH_10___. Açò significa que l'unió de Josephson pot funcionar com un convertidor voltage-freqüències perfecte.

La corrent a través de la barrera separant els superconductores és:

___MATH_11___

a on ___MATH_12___ és una corrent característica de l'unió i ___MATH_13___ són les fases superconductoras dels dos superconductores.

Per una atra part, la fase superconductora està conjugada canónicamente en el número de partícules, i obedix a l'equació de moviment:

___MATH_14___

a on ___MATH_15___ és la càrrega de l'electró, i ___MATH_16___ és la diferència de potencial existent entre els dos superconductores.

Per això resulta que:

___MATH_17___

O dit d'una atra forma, l'aplicació d'una diferència de potencial comporta les oscilacions de la corrent superconductora a una freqüència de ___MATH_18___. L'efecte Josephson altern és una forma de medir la relació ___MATH_19___.