Техника - молодёжи 1968-06, страница 5

КВАНТОВАЯ

УВЕРТЮРА

БРАЙАНА

Снежным комом нарастает в физической печати число статей, так или иначе связанных с эффектами Джозефсона И в этой печати, которая славится своей сдержанностью и осторожностью, нет-нет да и промелькнут неожиданные для научных статей эпитеты: «замечательные», «волнующие», «сенсационные», «потрясающие». Известный физик-теоретик Р. Фейнман так оценил эффекты Джозефсона:

«Это еще одна иллюстрация к тому, что происходит в физике в последнее время — появление транзистора, лазера, а теперь эти переходы в сверхпроводниках, практическое значение которых еще не раскрыто полностью. Квантовая механика спустя почти 40 лет после своего появления вдруг внезапно получила множество реальных практических применений. Как-то сразу появилась возможность деликатно и тонко управлять природой».

Удивительнее всего то, что открытие, заставившее говорить о себе, сделал студент. Трудно сказать, чему больше обязано появление его исследований: прозрению, многолетней работе или удаче. Видимо, всего было поровну. И так или иначе шесть лет назад дипломник Кембриджского университета Брайан Джозефсон опубликовал в журнале «Физике Леттерс» небольшую, в две странички, статью, вызвавшую бурю среди физиков.

Видимо, Брайан спешил: в этот журнал посылают свои статьи те, кому нужно в пожарном порядке поставить заявочный столб на каком-нибудь «белом пятне» физики. Срок опубликования статьи, составляющий обычно полтора-два года, сокращен в «Физике Леттерс» до нескольких недель! И Джозефсона можно понять — вероятно, только недели решали, чье имя будет носить новый поразительный эффект.

Как и Леверье, Джозефсон сделал свое открытие на «кончике пера». Что

бы понять ход его рассуждений, полезно вспомнить некоторые факты из теории сверхпроводимости.

И первое, с чего надо начать, — это знаменитое сверхпроводящее кольцо, ток в котором годами абсолютно не затухает...

Первые же измерения показали, что величина «замороженного» в сверхпроводящем кольце магнитного потока может изменяться лишь ступеньками. Теоретики тут же рассчитали, какой должна быть такая ступенька, то есть величину кванта магнитного потока.

Но результат расчета не совпал с экспериментом! Расхождение между теорией и экспериментом устранялось, если предположить, что носитель сверхпроводящего тока имеет двойной заряд.

Пара электронов! Как это может быть? Электроны — отрицательно заряженные частицы, и, следовательно, они должны отталкиваться друг от друга! Что может удерживать их рядом? Что объединяет их?

Первым решил эту задачу американский физик Ф. Лондон. Он ввел в теорию сверхпроводимости совершенно неожиданные идеи, которые в конечном итоге и привели Джозефсона к его открытию.

Как рассуждал Лондон? Ток в металле создается за счет того, что электроны движутся в каком-то предпочтительном направлении сквозь кристаллическую решетку металла, составленную, грубо говоря, из положительных ионов. Электрон, двигаясь неподалеку от такого иона, притягивает его к себе, в результате чего вся решетка искажается. В какой-то области положительно заряженных ионов стало больше, чем раньше, в другом — меньше. Область с избытком положительных ионов способна притянуть к себе другой электрон. Так два недолюбливающих друг друга

В заголовке: Эффект Джозефсона на осциллографе. Этот всплеск произведен микроволновым излучением барьера мощностью всего в одну миллиардную ватта.

человека вынуждены находиться рядом, «образовать пару» из-за каких-то высших соображений, например добиваясь благосклонности любимой.

Прочность связи в электронной паре зависит от того, насколько сильно взаимодействуют электроны с решеткой. В металлах, считающихся лучшими электрическими проводниками (медь, серебро), эта прочность мала, и пары там не образуются. Не возникает в них и сверхпроводимости.

Но этого мало.

При сверхпроводимости все электронные пары тесно связаны друг с другом — они движутся в едином строю, в едином ритме, тесно переплетенные. Остановить только одну пару невозможно — ее обширные связи привели бы к полной остановке электронов во всем объеме металла. Поэтому в сверхпроводнике существуют только два состояния — тока или вовсе нет, или он течет не затухая. Сверхпроводник — это как бы одна гигантская молекула, организм с единым ритмом, которому подчинены все электронные пары. Из квантовой механики известно: люба* частица — одновременно и волна. В этом смысле сверхпроводник — океан, в котором волны, как говорят электрики, «синхронны и синфазны». Другими словами, длины волн равны, и все волны находятся в одной фазе, то есть совпадают друг с другом. Это обстоятельство особенно важно для объяснения эффекта Джозефсона.

В данном куске сверхпроводника все волны находятся в одной фазе. В другом куске — все волны опять-таки в одной фазе. Это неоспоримо.

Но равны эти фазы или нет?

Джозефсон не смог найти доказательств, что фазы должны быть равны. В большом куске сверхпроводника за счет мощного взаимного влияния пар устанавливается одна фаза. Разрезав сверхпроводник надвое и разнеся получившиеся части, скажем, на один сантиметр (громадное в атомном масштабе расстояние), мы можем получить разные фазы, поскольку взаимное влияние устраняется.

Но если сдвинуть куски сверхпроводника на 10—20 ангстрем (расстояние меньшее, чем размер электронной пары), то между ними возможен обмен парами в силу обычных волновых свойств электронов. А раз уж электронные пары перекочевывают из одного куска в другой, барьер между ними (а в простейшем случае это вакуум) не должен оказывать электрического сопротивления, то есть быть сверхпроводящим. Это и есть то новое, что подметил Джозефсон.

Вряд ли он сам предполагал, что его сугубо теоретические выводы удастся проверить в недалеком будущем. Легко сказать: «Сдвинь два куска сверхпроводника на 10 ангстрем». Неизмеримо сложнее сделать это.

з