Эталон вольта на эффекте Джозефсона

Эффект Джозефсона возникает в контактах двух сверхпроводников, разделенных тонким слоем диэлектрика (рис. 1.11).

Рисунок 1.11 - Схематическое изображение джозефсоновского перехода

Как известно, в вакууме электроны 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 их слабому притяжению. В этом случае электроны образуют так называемые куперовские пары. Такие пары, в отличие от отдельных электронов, имеют нулевой спин (т.е. подчиняются статистике Бозе). Это 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.

Если приложить к двум сторонам Джозефсоновского перехода разность потенциалов U, то при туннелировании куперовской пары электронов из одного сверхпроводника в другой избыток ее энергии 2 eU излучается в виде кванта света - фотона. Частота n₀ этого кванта определяется законом сохранения энергии:

h n₀=2 eU.

Это явление называется нестационарным эффектом Джозефсона.

Если наоборот, облучать джозефсоновский переход излучения частотой n, то при совпадении этой частоты с характерной для данного напряжения U частотой n_0, возникает резонансное взаимодействие. Такой же резонанс наступает при n₀=n/ n, где n - любое целое число, в результате чего на вольт-амперной характеристике перехода появляются особенности (рис. 1.12) в виде ступенек при напряжениях

Рисунок 1.12 - Вольтамперная характеристика джозефсоновского
перехода

Заряд электрона е является такой же фундаментальной физической константой, как и упоминавшиеся выше h, c, g. Величина h /2 е, называемая квантом магнитного потока, значение которой определяется с большей точностью, чем значения h и е в отдельности. Поскольку частота в настоящее время является наиболее точно измеряемой величиной, точность воспроизведения напряжения с помощью эффекта Джозефсона ограничивается точностью значения h /2 е. Стандартное отклонение при воспроизведении вольта составляет в настоящее время 5^.10^-9.

На основании эффекта Джозефсона выполнены эталоны единиц напряжения - вольта во всех промышленно развитых стран с начала 1980 г. В состав эталона обычно входит дискретный переход, возбуждаемый СВЧ- излучением на частоте 8...10 ГГц, Значение квантованного напряжения составляет при этом 4...10 мВ. Столь низкое значение воспроизводимого напряжения вынуждает включать в состав эталона масштабные преобразователи напряжения различной конструкции и нормальные элементы, приводящие к потере точности. В связи с этим, в самое последнее время были созданы интегральные схемы, включающие в себя порядка 1000 переходов Джозефсона и позволяющие воспроизводить напряжение непосредственно в 1 В и выше.

Из общефизических соображений и проведенных экспериментов следует, что стабильность эталонов на основе эффекта Джозефсона может достигать 10¹⁶, что открывает широкие перспективы для совершенствования естественного эталона вольта.