3. Высокостабильные квантовые эфф

3.2. Эффекты Холла и Джозефсона

[3], с. 123...130

Реальная возможность создания универсальной системы естественных

мер появилась после открытия так называемых макроскопических квантовых эффектов:
- сверхпроводимости, сверхтекучести, квантовых эффектов Холла и Джозефсона.
В этих эффектах в результате когерентного поведения огромного числа микрочастиц происходит квантование строго определенными порциями той или иной макроскопической величины.
Эффект Джозефсона возникает в контактах двух сверхпроводников, разделенных тонким слоем диэлектрика. Схематическое изображение джозефсоновского периода приведено на рис. 2.

Рис. 2. Схематическое изображение джозефсоновского перехода

Как известно, электроны в вакууме отталкиваются друг от друга по закону Кулона. В твердом теле, помимо электронов, имеются положительно заряженные ионы решетки. Притягиваясь к электронам, они экранируют их заряд. В некоторых веществах при достаточно низких температурах суммарное взаимодействие электронов может соответствовать слабому притяжению. В этом случае электроны объединяются в так называемые куперовские пары. Такие пары, в отличие от отдельных электронов, имеют нулевой спин, что позволяет большому числу пар скапливаться в одном и том же квантовом состоянии. Если средняя скорость куперовских пар отлична от нуля, т.е. существует незатухающий электрический ток, то говорят, что имеет место явление сверхпроводимости. Куперовские пары могут просачиваться (туннелировать) через диэлектрик из одного
сверхпроводника в другой. При этом если фазы волновых функций пар в
двух сверхпроводниках окажутся различными, то через переход Джозефсона будет течь ток в отсутствие разности потенциалов. Такое явление получило название стационарного эффекта Джозефсона.
Если облучать этот переход излучением с частотой u, то при совпадении этой частоты с характерной для данного напряжения V частотой u₀ возникает резонансное взаимодействие. Такой резонанс наступает и при u = u_о/n, где n – любое целое число, в результате чего на вольт-амперной характеристике перехода появляются особенности (рис. 3) в виде ступенек при напряжениях:

Рис.3. Вольт-амперная характеристика джозефсоновского перехода

Точность воспроизведения напряжения с помощью эффекта

=
^Джоз_е^{фсона ограничивается точностью значения} 2e ^{(кванта магнитного} потока).
На использовании эффекта Джозефсона основаны эталоны единицы напряжения – вольта во всех промышленно развитых странах. В состав эталона входит дискретный переход, возбуждаемый СВЧ излучением на частоте 8...10 ГГц. Значение квантового напряжения составляет при этом V= 4...10 мВ.
Высокая стабильность эталонов на основе эффекта Джозефсона

открывает широкие перспективы для совершенствования естественного эталона вольта (стандартное отклонение при воспроизведении V составляет в настоящее время ∼ 10^-8 В).

Не менее интересные возможности для метрологии дает квантовый


=