Между двумя электрическими проводниками, находящимися в нормальном состоянии и разделенными тонким слоем изолятора, может протекать ток благодаря процессу туннелирования. Согласно классической физике, это невозможно, но из квантовой механики следует, что, даже если энергия электрона недостаточна для прямого преодоления барьера, он может с отличной от нуля вероятностью пройти сквозь барьер и появиться на другой стороне. Аналогично нормальный туннельный ток неспа-ренных электронов может протекать через контакт, образованный двумя сверхпроводниками, разделенными изолятором. Но возможно также туннелирование куперовских пар через барьер. Это означает, что изолирующий материал между двумя сверхпроводниками ведет себя как сверхпроводник. Такое замечательное поведение наряду с несколькими другими важными эффектами было теоретически предсказано Джозефсоном [11]. Он рассматривал контакт как «слабый» сверхпроводник, так как при наличии изолирующего слоя между сверхпроводниками сверхток легче, чем в сплошном сверхпроводнике, разрушается внешним воздействием, в частности магнитным полем.

Воздействие магнитного поля на сверхток, протекающий через джозефсоновский контакт (в предположении, что напряженность поля не превосходит уровня, при котором сверхток разрушается), приводит к пространственным изменениям величины и направления тока. Это в свою очередь означает, что результирующий ток через контакт зависит от приложенного магнитного поля, причем уравнения, описывающие эту зависимость, совпадают с теми, которые описывают картину дифракции Фраун-гофера, когда свет проходит через одиночную щель. Аналогично в случае двух джозефсоновских контактов, включенных параллельно в сверхпроводящее кольцо, математическое описание зависимости тока от магнитного потока, пронизывающего кольцо, такое же, как для интерференционной картины, получаемой в случае дифракции на двух щелях. Действительно, механизмом, лежащим в основе изменений тока в многоконтактных приборах, является квантовая интерференция, и такие приборы известны как джозефсоновские интерферометры или сверхпроводящие интерферометрические приборы (сквиды).

Сквид чрезвычайно чувствителен к слабым изменениям напряженности магнитного поля, и поэтому его можно использовать как магнитометр с высокой разрешающей способностью. Он впервые был предложен в середине 1960-х гг. Джаклевичем с сотр. [10]. Предельное разрешение сквида определяется тепловым шумом, присушим джозефсоновский контактам. Созданные впоследствии многоконтактные приборы по чувствительности приближаются к этому пределу. Шум сквидов настолько низок, что они используются в качестве чувствительных элемен-

12.2. Сверхпроводимость

Как известно, ряд металлов, включая ниобий, свинец, олово, являются сверхпроводниками, и все они имеют температуру перехода ниже 10 К. Некоторые металлические соединения также обладают свойствами сверхпроводимости, в частности NbSn, температура перехода которого относительно высока (около 18 К). Сверхпроводниками является некоторые сплавы, например РЬ-Bi, который интересен тем, что составляющий его элемент висмут сам сверхпроводимостью не обладает. Среди одновалентных металлов, ферро- и антиферромагнетиков сверхпроводники пока не обнаружены.

Важным характерным свойством сверхпроводника является полное отсутствие сопротивления при температурах ниже темпе ратуры перехода Вс Это наводит на мысль, что сверхпроводник ничем Не отличается от «идеального» проводника, т. е. гипоте тического металла с нулевым сопротивлением. Действительно, так и считалось в течение довольно долгого периода времени после открытия сверхпроводимости. Но сверхпроводник при температурах ниже Ос - это не просто идеальный проводник: он также идеальный диамагнетик, или, другими словами, даже в присутствии внешнего магнитного поля внутри его плотность магнитного потока всегда равна нулю. Это свойство известно как эффект Майснера после экспериментов Майснера и Охзен-фельда [21]. Оно означает, что при охлаждении сверхпроводника, помещенного в магнитное поле, силовые линии индукции выталкиваются из материала, как только пройдена температура сверхпроводящего перехода.

Эффект Майснера не является следствием нулевого сопротивления сверхпроводника, а представляет собой совершенно независимое явление, характерное для сверхпроводимости. Его можно понять, если рассмотреть уравнение Максвелла, связы-

тов В детекторах гравитационного излучения (гл. 13). Именно в этих устройствах чрезвычайно важную роль играет совершенство системы регистрации сигнала, требующей тщательнейшего исполнения, чтобы достичь уникальной чувствительности. Применение здесь сквидов естественно и оправданно.

В последней части этой главы рассматриваются механизмы шумов, возникающих в сверхпроводниках, джозефсоновских контактах и сквидах. Однако предварительно полезно ознакомиться с физикой работы приборов, использующих джозефсо-новские контакты, а затем перейти к обсуждению шумов и флуктуации в контактах.

вающее магнитную индукцию В и поле Е:

5Б/а = -rotE = 0, (12.1)

нуль в правой части которого возникает из-за отсутствия сопротивления, что означает равенство нулю электрического поля. Согласно уравнению (12.1), скорость изменения В внутри идеального проводника равна нулю. Применяя это условие к сверхпроводнику, мы получили бы, что любой магнитный поток, находящийся внутри материала, просто остался там при охлаждении ниже температуры перехода Вс. Как уже упоминалось выше, на практике наблюдается иное поведение. Это заставляет прийти к заключению, что нулевое сопротивление и идеальный диамагнетизм- два независимых свойства сверхпроводящего состояния. Короче говоря, линии магнитной индукции могут как проникать, так и не проникать в идеальный проводник, тогда как сверхпроводник никогда не содержит внутри себя магнитный поток.

Интересным следствием этого является вывод о том, что любой ток, текущий вдоль сверхпроводника, не может проникать внутрь образца, а должен течь по его поверхности. Чтобы понять, почему это так, рассмотрим уравнение Максвелла, связывающее плотность магнитного потока Б и плотность тока J:

rotB = PoJ, (12.2)

где Ро -магнитная проницаемость свободного пространства (предполагается, что относительная проницаемость сверхпроводника равна единице). Теперь, поскольку сверхпроводник обладает совершенным диамагнетизмом, плотность магнитного потока внутри его равна нулю, следовательно, rot 8=0, а значит, согласно уравнению Максвелла, внутри материала ток не течет. Таким образом, любой ток в сверхпроводнике должен течь по его поверхности, это справедливо, пока не должна быть равна нулю плотность магнитного потока вне образца.

В действительности область протекания стока не может быть строго ограничена слоем нулевой толщины на поверхности сверхпроводника, так как приводит к бесконечной величине плотности тока, что физически не реально. Фактически существует конечная глубина проникновения тока, которая зависит от типа сверхпроводника, но обычно составляет 500 А. Это как раз та глубина, на которую проникают в материал силовые линии вектора плотности магнитного потока. Таким образом, хотя сверхпроводник называют «идеальным» диамагнетиком, имеет место неглубокое проникновение в него магнитной индукции. Здесь есть аналогия между глубиной проникновения и толщиной скин-слоя обычного проводника.