조지프슨 효과

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조지프슨 효과(Josephson effect)란 초전도체와 초전도체 사이에 전류가 흐르지 못하는 부도체를 끼워넣어도 전류가 흐르는 현상을 말한다. 2개의 초전도체는 비전도 장벽으로 연결(조지프슨 접합)되어 있으며, 이 장벽을 넘는 흐름은 조지프슨 흐름이라고 불린다. 조지프슨 효과는 영국의 물리학자인 브라이언 데이비드 조지프슨이 1962년도에 이 현상이 실존함을 예측하였고[1], 이걸 발견한 공로로 73년 노벨 물리학상을 수상하게 된다.

본문[편집]

국립표준기술연구소에 의해 개발된 표준 볼트로서의 조세프슨 접합 어레이 칩

조지프슨 효과는 거시적 양자 현상의 예이다. 그것은 1962년에 약한 연결을 통과하는 전류와 전압의 수학적 관계를 예측한 영국의 물리학자 이름인 브라이언 데이비드 조지프슨을 따서 명명되었다.[2][1] DC 조셉슨 효과는 1962년 이전의 실험에서 볼 수 있었다,[3]그러나 초전도체 사이에서 전자의 직접 전도로 이어지는 장벽 절연의 틈에 기인했다. 필립 앤더슨과 존과 로웰은 조셉슨의 효과의 발견을 주장하고, 필요한 실험 검사를 하기 위한 첫 번째 논문을 썼다.[4] 이 저자들은 적용되지 않았던 효과에 대한 특허를 획득, 그러나 도전을 멈추지 않았다.

조지프슨의 예측 전에, 정상적인(즉, 비초전도) 전자는 양자 터넬링을 수단으로 절연 배리어를 통해 유동 할 수 있는 것으로 알려져 있었다. 조지프슨은 초전도의 쿠퍼 쌍의 터넬링을 처음 예측하였다. 이 경우, 조지프슨는 1973년에 노벨물리학상을 수상하였다.[5] 조지프슨 접합은 초전도 양자 간섭계, 초전도 큐비트 및 RSFQ 디지털 전자 등 양자 역학적 회로에 중요하게 적용되었다.

Dayem의 다리는 약한 링크가 몇 가지의 마이크로미터 규모에 초전도 와이어로 구성하는 조지프슨 접합의 변형인 얇은 필름이다.[6][7]

효과[편집]

조지프슨 접합의 다이어그램, A와 B는 초전도체를 나타내고 C는 그들 사이의 약한 연결을 나타낸다.

조지프슨 효과의 기본방정식은[8]

U(t) = \frac{\hbar}{2 e} \frac{\partial \phi}{\partial t} (초전도 위상 진화 방정식)
\frac{}{} I(t) = I_c \sin (\phi (t)) (조지프슨 또는 약한 연결 전류 위상 관계)

여기서 U(t)와 I (t)가 조지프슨 접합 양단의 전압 및 전류이고, \phi(t)가 접합부에 걸친 "위상차"이다. 그리고 Ic는 임계 전류 접합 상수이다. 임계 전류는 온도뿐만 아니라, 추가된 자기장에 의해 영향을 받을 수 있는 장치의 중요한 현상학적 파라미터이다. 물리적 상수 \frac{h}{2 e}는 조지프슨 상수의 역인 자속양자를 의미한다.

[[파일:I-V characteristics of Josephson Junction.JPG|thumb|조지프슨 접합의 일반적인 종류인 전형적인 I-V 초전도 터널 접합의 특징. 세로축 범위는 50 μA이고 가로축 범위는 1 mV이다. 축\scriptstyle U = 0 조지프슨 효과를 보여준다, 높은 전류의 \scriptstyle |U|는 초전도체 밴드갭의 유한한 값에 기인하고 위의 방정식에 의해 재생되지 않는다.

조지프슨에 의해 예측된 세 가지 주요 효과:

DC 조셉슨 효과
터넬링에 의한 외부 전자기장의 부재 하에 절연체로부터 직류 교차 현상이다. 이 조지프슨 전류가 절연체에 걸쳐 위상차의 사인에 비례하고 \scriptstyle -I_c\scriptstyle I_c 사이 값을 취한다. .
The AC Josephson effect
고정 전압 \scriptstyle U_{DC} 접합부에 걸쳐, 위상은 시간에 따라 선형적으로 변화되고 AC전류 \scriptstyle I_c와 주파수 \scriptstyle\frac{1}{h}2e \cdot U_{DC}가 된다. 전류쿠동의 완벽한 표현 \scriptstyle I_\text{ext}\scriptstyle I_\text{ext} \;=\; C_J \frac{dv}{dt} \,+\, I_J \sin \phi \,+\, \frac{V}{R}가 된다. 이것은 조셉슨 접합이 완벽한 전압-주파수 변환기의 역할을 할 수 있음을 의미한다.
The inverse AC Josephson effect
위상이 이 형태를 취하는 경우 \scriptstyle \phi (t) \;=\;  \phi_0 \,+\, n \omega t \,+\, a \sin( \omega t), 전압과 전류는
U(t) = \frac{\hbar}{2 e} \omega ( n + a \cos( \omega t) ), \ \ \ I(t) = I_c \sum_{m \,=\, -\infty}^\infty J_n (a) \sin (\phi_0 + (n + m) \omega t).

DC 성분은

U_{DC} = n \frac{\hbar}{2 e} \omega, \ \ \ I(t) = I_c J_{-n} (a) \sin \phi_0.

따라서 별개의 AC 전압에 대해, 접합은 DC 전류를 운반하고 주파수-전압 변환기 역할을 수행 할 수 있다.

주석[편집]

  1. B. D. Josephson. The discovery of tunnelling supercurrents. Rev. Mod. Phys. 1974; 46(2): 251-254.
  2. Josephson, B. D., "Possible new effects in superconductive tunnelling," Physics Letters 1, 251 (1962) doi:10.1016/0031-9163(62)91369-0
  3. Josephson, Brian D. (December 12, 1973). The Discovery of Tunneling Supercurrents (Nobel Lecture).
  4. Anderson, P W, Rowell, J M (1963년). Probable Observation of the Josephson Tunnel Effect. 《Phys. Rev. Letters》 10: 230. doi:10.1103/PhysRevLett.10.230. Bibcode1963PhRvL..10..230A. 16 May 2012에 확인.
  5. The Nobel prize in physics 1973, accessed 8-18-11
  6. Anderson, P. W., and Dayem, A. H., "Radio-frequency effects in superconducting thin film bridges," Physical Review Letters 13, 195 (1964), doi:10.1103/PhysRevLett.13.195
  7. Dawe, Richard (28 October 1998). SQUIDs: A Technical Report - Part 3: SQUIDs (website). http://rich.phekda.org.  2011년 4월 21일에 확인.
  8. Barone, A. (1982). 《Physics and Applications of the Josephson Effect》. New York: John Wiley & Sons. ISBN 0-471-01469-9

함께 보기[편집]