超導電子學
超導電子學
超導電子學是研究超導體內超導電子及其與電磁場相互作用的一系列效應的理論、技術,並據以開發新型電子器件和應用的學科,它是超導體物理和電子學相結合的邊緣學科。在超導電子學中,超導體的理想超導性、完全抗磁性、超導微觀理論、弱場下的微波特性、約瑟夫森效應和超導量子干涉效應等具有重要作用。
超導電子學
超導電子學
1908年,荷蘭H.K.翁納斯首次使氦氣液化,成功地獲得4.2K低溫。1911年,他在研究各種金屬在低溫下的電阻性質時發現了汞的超導電性。1933年,W.邁斯納和R.奧森菲爾德發現磁場不能進入超導體內部的新現象,即邁斯納效應。這表明超導體具有完全抗磁性。為了解釋超導體的理想導電性(零電阻現象)和完全抗磁性這兩個基本特性,1935年德國物理學家F.W.倫敦指出,超導性是一種宏觀體系的量子效應,並基於超導性與液氦4He的超流動性的相似性而將其統稱為超流體,建立了超導唯象方程即倫敦方程。它指出磁場被排斥到厚度為λ 的倫敦穿透深度的表面薄層中,從而解釋了邁斯納效應。1950年,В.Л.金茲堡和Л.Д.朗道根據相變理論的研究,指出超導態中的超流電子存在某種有序化,且臨界溫度Tc以下有序度較高,狀態用一個序參數 ψ()來描述(相當倫敦理論中的超導波函數),由此建立了金茲堡-朗道方程,也稱GL方程。它惟象地綜合了當時超導體已有的宏觀規律。另外,由於對超導體熱力學性質的研究,人們建立了二流體模型和能隙理論。1950年,J.R.施里弗提出電子-聲子的相互作用在低溫下導致超導性(電阻消失),並導出了同位素效應。上述理論和效應都沒有從根本上說明超導電性的物理實質。直到1956年,L.N .庫柏提出在超導體中有電子對,並於1957年建立了巴丁-庫柏-施里弗超導微觀理論,簡稱BCS理論。這一理論較為完滿地解答了超導電性的物理本質。1962年,英國劍橋大學B.D.約瑟夫遜在關於隧道超流現象的著名論著中預言了超導隧道效應,也稱約瑟夫遜效應。1963年實驗證實了隧道超流現象確實存在。隨後發現了Jc-H關係、I-υ 階梯特性和自感應階梯。1964年,默塞里奧與西爾弗發現約瑟夫遜雙結量子干涉現象,兩年後發明了雙結磁強計。直流約瑟夫遜效應遂得以建立起嚴格的理論。人們從而發現紅外檢測的機理並觀察到約瑟夫遜結的微波輻射效應、倍頻、分諧波和混頻效應,並用約瑟夫遜效應測定物理常數e/h值,製作出超導伏特計,發明記憶儲存元件等。1970年又發明了單結環路的射頻超導量子干涉器件等。約瑟夫遜效應從實驗階段走向了應用階段,由此繁衍出的各類超導器件在現代各學科中獲得廣泛應用,並形成一門嶄新的超導電子學。為此,超導隧道效應發現者約瑟夫遜、隧道技術開創者江崎玲於奈,以及半導體隧道和超導隧道間的橋樑架設者I.賈埃弗三人獲得1973年諾貝爾獎金。
超導電子學
超導電子學
超導體在微波頻率下所具有的超導電性。在高頻下,當光量子的能量大於超導體的能隙2Δ時,由於超導體吸收電磁波能量,庫柏對被拆散成單個電子,超導態轉變成正常態,這時的高頻頻率稱為轉變頻率。不同超導體的轉變頻率各不相同,一般在1012赫左右。在理論上,造成這時高頻電磁損耗的剩餘表面電阻,取決於溫度、頻率、穿透深度、電子費米速度、相干長度、電子平均自由程和超導能隙,其近似表達式為式中A為與溫度和頻率無關的材料特徵參數;ω為角頻率;T為溫度;k為玻耳茲曼常數;α為一個由電子平均自由程l和倫敦穿透深度λL與相干長度ξ之比決定的指數,一般在1.5~2之間。隨著材料環境溫度的降低,表面電阻也隨之下降。只要材料處於超導態,其高頻電磁損耗與正常態相比仍然低好幾個數量極。利用超導體這種高頻低電磁損耗特性可以製成各種超導無源器件,例如,超導波導和諧振腔、超導微帶器件、超導高頻同軸電纜和超導延遲線等。
約瑟夫遜效應
超導電子學
超導體有兩類:①超導體界面能為正,金茲堡-朗道參量,它只有一個臨界磁場和兩種狀態;②超導體界面能為負,,有兩個臨界磁場和三種狀態。弱連接超導體是兩個超導體由另一物體(可以是超導體,也可以是包括絕緣介質在內的非超導體)連接起來,形成具有如下性質的體系:很小的超流電流從一個超導體流向另一個超導體。弱連接超導體有時也稱超導結。已發現的弱連接超導體有約瑟夫遜隧道結(鄰近效應結)、超導橋、點接觸結、交叉線和超導體-非超導體-超導體(SNS)結等(圖1)。
直流約瑟夫遜效應 當外加電壓等於零時(),超導電子對能穿過絕緣層形成超導隧道電流而沒有電位差的現象。
超導量子干涉效應
超導電子學
交流約瑟夫遜效應
超導結在直流電壓作用下產生交變電流,從而輻射電磁波的特性,稱為交流約瑟夫遜效應。
超導電子學
超導電子學
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利用約瑟夫遜交流效應中電壓與頻率的關係,在超導結以直流電壓偏置時能產生頻率為的振蕩電流。如果同時在結上輻照以頻率為f的微波,則由於f對頻率為的約瑟夫遜振蕩的相位調製,在超導結的I-V 特性上會出現電流階梯,第 n個階梯處的電壓為。f反映直流電壓,而把υn和基準電池的電動勢聯繫起來,即應用某種類型的電壓比較儀建立兩者之間電壓傳遞關係,就可把頻率和基準電池的電動勢直接聯繫起來。國際比對 的測量系統的精度為,而測量微波頻率f比較容易達到量級的準確度,故能高精度保持伏特基準。
1956年,人們利用超導態與正常態轉換速度很快的原理製成冷子管。在兩種超導體交叉薄膜間用一絕緣體隔開,其中一個超導體起開關作用,另一個超導體起控制作用。但冷子管不能達到很高的開關速度。因此,1967年又利用超導結製作了超導隧道冷子管。稍低於超導結臨界電流的門電流通過超導結,當結處於超導態時,結區間為零電壓。結區上方用一超導帶作控制線,當通電流時,電流產生的磁場使臨界電流減小,從而使零電壓變為非零電壓狀態;去掉控制電流,結區又回到零電壓狀態。這就是超導計算機中的開關原理。
約瑟夫遜結用作計算機的邏輯和存儲元件具有輸出電壓高、開關時間短、功耗低等優點。其運算速度比現有高性能半導體集成電路快10~20倍,功耗小到四分之一。利用約瑟夫遜結可構成各種邏輯、觸發器和存儲器等電路。
超導微處理機及其陣列機在軍事方面有重要的用途。正在研製的超導微處理機包括有4000個邏輯門、32千位存儲器,而體積只有25厘米3,周期時間僅為2.5納秒,功耗為150毫瓦。
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