Лекции для студентов

Физика полупроводников. Лекция 4

§16. Применение сверхпроводимости.

Явление сверхпроводимости широко используется во многих отраслях техники, в том числе и в электронике. Электроника низких температур получила название криогенной электроники. К криоэлектронным приборам относят запоминающие и логические устройства вычислительной техники, криотронные переключатели, генераторы и усилители, сверхпроводящие магнитометры, гальванометры и др.

1. Криотронные переключатели — быстродействующие электрические переключатели со временем срабатывания . Они протравливаются на основе пленочных криотронов и состоят из двух скрещенных металлических пленок, из сверхпроводящих материалов, нанесенных на подложку и разделенных слоем диэлектрика (смотри рисунок). Управляемая пленка 1 изготавливается из олова , а управляющая пленка 2 из свинца . Через управляющую пленку пропускается ток. Магнитным полем изменяющегося тока через пленку 1 можно разрушить сверхпроводящее состояние управляемой пленки 1 и перевести ее в нормальное состояние, в котором пленка имеет сопротивление. Можно, изменяя ток через управляющую пленку можно ввести пленку 1 снова в сверхпроводящее состояние, т.е. выключить цепь, в которую включена пленка 1. Управляющая пленка имеет небольшую толщину и поэтому можно достичь значительного ее сопротивления в нормальном состоянии.

2. криотронные приборы на основе эффектов Джозефсона.

Корреляция в движении куперовских пар приводит к импульсной упорядоченности, при которой все пары движутся в сверхпроводнике с одним и тем же импульсом. С квантовой точки зрения это означает, что все они имеют одну и ту же длину волны . Строгая корреляция пар требует, кроме того и равенство фаз:

Анализ этих требований позволили английскому физику Джозефсону в 1962 г. предсказать два эффекта. Суть их состоит в следующем. Присоединим к сверхпроводнику источник напряжения, амперметр и вольтметр. При замыкании цепи в сверхпроводнике возникает ток, регистрируемый амперметром. Так как сопротивление сверхпроводника равно нулю, то напряжение на его концах . Разрежем сверхпроводник на два куска и разделим их тонкой диэлектрической прослойкой толщиной , т.е. сделаем в сверхпроводнике узкую поперечную щель. При включении такого сверхпроводника в цепь могут наблюдаться следующие эффекты:

· Через сверхпроводник по-прежнему будет протекать постоянный ток, обусловленный туннелированием электронных пар из одного куска сверхпроводника в другой через узкую щель. В этом случае ток будет равен:

 — разность фаз волновых функций, описывающих куперовские пары по обе стороны барьера,  — максимальный ток через барьер. Если , то на переходе возникает разность потенциалов, вызывающая туннелирование через переход не спаренных электронов, и они обуславливают сопротивление перехода. В этом случае ток через сверхпроводник будет состоять из сверхпроводящей и нормальной составляющей.

· При наличии постоянной разности потенциалов между двумя сверхпроводниками из щели излучается высокочастотная электромагнитная энергия. Это связано с тем, что энергия куперовских пар по обе стороны от барьера отличаются на величину :

Учитывая, что энергия , то по обе стороны от перехода будет существовать разность частот де-Бройля:

Тогда разность фаз будет непрерывно увеличиваться со временем по закону:

Тогда получим, что выражение для сверхпроводящей составляющей тока будет иметь вид:

,

Такой ток передает электронам энергию с частотой или . Если , то (сверхвысокочастотное колебание), что соответствует длине волны . Таким образом, джофсоновские переходы могут использоваться в качестве генераторов СВЧ колебаний. Кроме того, джофсоновские переходы могут использоваться в качестве переключателей электрического тока, так как переход от нулевого сопротивления к конечному не связан с разрушением сверхпроводящего состояния, то скорость переключения джофсоновских переключателей значительно больше, чем у обычных сверхпроводящих криотронов. Время переключения у них Кроме того эффекты Джозефсона могут использоваться для обнаружения и приема СВЧ сигналов. Принцип действия таких приемников основан на том, что при подаче на переход СВЧ сигнала происходит резкое возрастание постоянного тока, протекающего через переход.

3. Направление современных исследований сверхпроводимости.

Оно связано в основном с поиском материалов с более высокотемпературной сверхпроводимости. Исследования ведутся по двум направлениям:

· Разработка сверхпроводящих материалов с более высокой температурой , на основе механизма объединения электронов в куперовские пары.

· Изыскание новых более эффективных видов взаимодействия электронов, способных произвести к их объединению в пары с более высокой энергией связи. В этом плане уделяется внимание нитевидным, одномерным и слоистым (двухмерным) структурам.