3-bob. Fizikaviy hodisalar va kvant metrologiyasi asoslari

3.4. O‘lchash texnikasida qo‘llaniluvchi fizikaviy effektlar.
O‘lchashlar natijasida har doim aniq bir materiya namoyon bo‘ladi. O‘lchashlarning ob’yekti sifatida moddalar (jism va muhitlar), tabiatda o‘zgarib boradigan energiya va axborotlar, mashina va mexanizmlarda texnologik jarayonlar qatnashishi mumkin. Umumiy holda o‘lchash ob’yektlari, masalan, juda ko‘p miqdorda bir-biriga bog‘liq bo‘lgan va bog‘liq bo‘lmagan xarakteristikalarga egadir. Shunday parametrlarga geometrik o‘lchashlar, massa va temperaturani hamda boshqalarni kiritish mumkin. Istalgan o‘lchash jarayonida o‘lchanayotgan noma’lum kattalik ma’lum bo‘lgan kattalik bilan solishtiriladi va natija olinadi.
6.4.1. Jozefson effekti.
Tabiiy universal o‘lchov sistemalarini yaratishning real imkoniyatlari makroskopik kvant effektlari ochilgandan keyin paydo bo‘ldi. Bularga Xoll va Jozefsonlarning o‘ta o‘tkazuvchanlik va o‘ta oquvchanlik effektlari kiradi. Bu effektlarda juda ko‘p miqdordagi mikrozarralarning kogerentligi namoyon bo‘lishi natijasida qat`iy aniqlangan porsiyalarda kvantlanish yuz beradi.
Jоzеfsоn effеkti nazariy jihatdan 1962-yilda B.Jоzеfsоn tоmоnidan оldindan aytilgan. U yuqori оquvchan tоkning ikkita yuqori o‘tkazuvchan o‘tkazgichlar o‘rtasiga joylashtirilgan dielеktrik yoki yuqori o‘tkazuvchan bo‘lmagan matеrialning yupqa qatlami оrqali оqishidan ibоrat. Jozefson effekti juda ingichka dielektrik bilan ajratilgan ikki o‘ta o‘tkazgichning ulanishidan yuzaga keladi. Ma’lumki, Kulon qonuniga asosan vakuumda ikki elektron bir biridan itariladi. Qattiq jismda elektronlar bilan bir qatorda musbat zaryadlangan panjara ionlari ham mavjud. Ular elektronga tortilib, uning zaryadini neytrallashtiradi.

3.7-rasm. Jozefson o‘tishining sxematik tasviri
Yetarlicha past temperaturada ba’zi bir moddalarda elektronlarning umumiy ta’siri kuchsiz tortilishiga to‘g‘ri keladi. Bu holda elektronlar o‘zaro birikadi va kuper juftlarini hosil qiladi. Bunday juftliklar alohida elektronlardan farqli holda nol spinga ega bo‘ladi, Shuning uchun juda ko‘p miqdordagi juftliklar bir xil kvant holatida bo‘ladi. Agarda kuper juftliklarining o‘rtacha tezligi noldan farqli bo‘lsa, bu holda so‘nmaydigan elektr toki hosil bo‘ladi, binobarin, bu o‘ta o‘tkazuvchanlik hodisasini keltirib chiqaradi. Kuper juftliklari dielektrik orqali birinchi o‘ta o‘tkazgichdan boshqasiga tunnel effekti bilan o‘tishi mumkin. Bu holda, agar juftlarning to‘lqin funksiyasi o‘ta o‘tkazgichlarda turlicha bo‘lsa, unda Jozefson o‘tishi orqali potentsiallar farqi bo‘lmaganda ham tok o‘tadi. Bu hodisa Jozefsonning statsionar effekti deb ataladi.
Agar bu o‘tishni chastotasi υ bo‘lgan nurlanish bilan nurlantirsak, u holda berilgan V kuchlanishga mos kelgan υo chastota bilan mos tushganda rezonans hodisasi Yuzaga keladi.
Bunday rezonans υ = υ_o /n, bo‘lganda amalga oshadi, bunda n – istalgan butun son, natijada o‘tishning volt-amper xarakteristikasida o‘ziga xos bo‘lgan kuchlanishning sakrab o‘zgarishi kuzatiladi (3.8-rasm).

3.8-rasm. Jozefson o‘tishlari volt-amper xarakteristikasi
Agar bu o‘tishni chastotasi υ bo‘lgan nurlanish bilan nurlantirsak, u holda berilgan V kuchlanishga mos kelgan υ_o chastota bilan mos tushganda rezonans hodisasi yuzaga keladi.
. (3.7)
Jоzеfsоn effеkti yuqori o’tkazuvchanlik hоdisasining asosiy kоnsеpsiyasini, ya`ni yuqori o‘tkazuvchan hоlatda yagоna to‘lqin funksiyasi va juftlashgan elеktrоnlarning faza kоgеrеntligi bo‘lishini tasdiqlaydi. Bu hоdisadan bir qatоr asbоblarda foydalaniladi, xususan, u juda aniq kuchlanish etalоnini bеradi.
Jozefzon effekti yordamida kuchlanishni ishlab chiqish aniqligi h/2e qiymatini aniqligi bilan chegaralanadi. Ishlab chiqarishi rivojlangan mamlakatlarda kuchlanish birligi bo‘lgan – volt Jozefzon effektiga asoslangan etalon birliklarda amalga oshiriladi.
Etalon tarkibiga o‘ta yuqori chastotali nurlanishining 8…10 GHz chastotada qo‘zg‘atilgan o‘tishlar kiradi. Bunda kvant kuchlanishining qiymati V= 4...10 mV ni tashkil etadi.
Jozefzon effektiga asoslangan etalonlarning yuqori stabillikka ega bo‘lishi kuchlanish etaloni – voltni takomillashtirish uchun juda keng imkoniyatlar ochib beradi (kvant kuchlanishini ishlab chiqishning standart og‘ishi kunda ~10^-8 V ni tashkil qiladi).