Розуміння джозефсонівських з’єднань: квантово-механічний струм у надпровідниках

Джозефсон — це явище, яке виникає в надпровідних матеріалах, коли струм протікає між двома надпровідниками, розділеними тонким ізоляційним бар’єром. Він був відкритий Брайаном Джозефсоном у 1962 році, і з тих пір його інтенсивно вивчали в галузі фізики конденсованих речовин.

У джозефсонівському переході струм протікає через ізоляційний бар’єр квантовомеханічним способом, тобто струм не є безперервним, а швидше складається з дискретних квантів, або «частинок Джозефсона». Ці частинки є результатом тунелювання куперівських пар (пар електронів із протилежним спіном) через ізоляційний бар’єр.

Однією з ключових властивостей джозефсонівських переходів є здатність підтримувати постійний струм у широкому діапазоні напруг. Ця властивість зробила джозефсонівські переходи корисними в різноманітних додатках, включаючи надпровідні квантові обчислення та високочутливі датчики.

Джозефсонівські переходи можна виготовляти з використанням різних матеріалів, зокрема ніобію, нітриду титану та оксиду ітрію, барію та міді. Зазвичай вони виготовляються за допомогою методів осадження тонких плівок, таких як напилення або випаровування.

Крім практичного застосування, джозефсонівські з’єднання також мають цікаві теоретичні властивості. Наприклад, вони демонструють явище, відоме як «квантові флуктуації», яке може призвести до утворення макроскопічних квантових станів у з’єднанні. Ці стани відсутні в класичних системах і є ключовою особливістю квантової механіки.