Сверхпроводящие материалы в электронике
Наличие связи приводит к тому, что в следствии процесса обмена парами состояние обеих систем изменяется во времени. При этом интенсивность и направление обмена определяется разностью фаз волновых функций между системами. Если разность фаз j=j1 - j2, тогда из квантовой механики следует 
. Энергии в точках по одну и другую сторону барьера Е1 и Е2 могут отличаться только если между этими точками существует разность потенциалов Us. В этом случае 
(1).
Если сверхпроводники связаны между собой с одной стороны и разделены слабым контактом с другой, то напряжение на контакте можно вызвать, меняя магнитный поток внутри образовавшегося контура. При этом 
. Учитывая, что квант потока 
и поток Ф через контур может быть лишь nФ0, где n=0,±1,±2,±3, . Джозефсон предсказал, что 
(2)
Где:
Is – ток через контакт
Ic – максимальный постоянный джозефсоновский ток через контакт
j -- разность фаз.
Из (1), (2) следует 
.
Поскольку на фазовое соотношение между системами влеяет магнитное поле, то сверхпроводящим током контура можно управлять магнитным полем. В большинстве случаев используется не один джозефсоновский контакт, а контур из нескольких контактов, включенных параллельно, так называемый сверхпроводящий квантовый интерферометр Джозефсона (СКВИД). Величина магнитного поля, необходимого для управления током, зависит от площади контура и может бать очень мала. Поэтому СКВИДы применяют там, где нужна большая чувствительность.
Известны несколько типов джозефсоновских контактов, но наиболее распространены следующие:
изолятор
» 1нм сверхпроводники
туннельный переход переход типа «мостик»
3. Магнитометр.
Магнитометр - прибор на основе джозевсоновских переходов, применяющийся для измерения магнитного поля и градиента магнитного поля. В магнитометрах используются СКВИДы 2х типов: на постоянном токе и переменном. Рассмотрим магнитометр на СКВДах постоянного тока.
I
A B U
переходы
джозефсоновские
Если к такому кольцу приложить поле, то оно будет наводить в кольце циркулирующий сверхпроводящий ток. Он будет вычитаться из постоянного тока I в А и складываться в В. Тогда максимальный ток кольца зависит от магнитного потока Ф и равен: 
Ic – ток кольца, Ф0 – квант потока, Ф – захваченный поток. При этом 
R – сопротивление перехода, l – индуктивность кольца. DU – достигает нескольких микровольт и может быть измерена обычными электронными приборами.
I Imax
nФ0
(n+1/2)Ф0
U n
Рисунок слева: ВАХ сверхпроводящего кольца с 2-мя джозевсоновскими переходами.
Рисунок справа: Зависимость Imax от внешнего потока
n – число квантов потока пронизывающих контур.
Техническая реализация магнитометров на СКВИДе на постоянном токе с 2-мя тунельными переходами.
Кварцевая трубка
Полоска из Pb
Платиновый электрод
Pb
Джозефсоновские
переходы
Платиновый электрод
Контур СКВИДа
образован цилиндрической
пленкой из Pb нанесенной на кварцевый цилиндр
длинной 18 мм с наружным диаметром 8мм, а
внутренним 6мм.
Описанная здесь конструкция яв-
2 мм ляется датчиком включенным в электри-
ческую схему, обеспечивающую изме-
рение и индикацию отклика датчика
1.5мм на изменение внешнего магнитного
поля. Такая система представляет со-
600нм 600нм бой магнитометр.
20 нм
4. Сверхпроводящий материал – соединение Nb3Sn.
Соединение Nb3Sn имеет Тк=18.2К и Нк2=18.5 МА/m (m0Нк=23Тл) при 4.2К. Благодаря таким параметрам можно получить джозефсоновские переходы чувствительные как к малым полям 10-17Тл, так и к изменению больших полей »1Тл. Соединение имеет такую решетку: атомы ниобия расположены в местах, занятых на рисунке и образуют со своими ближайшими соседями три цепочки, перпендикулярные друг – другу:
Nb
Sn
Атомы ниобия в этих цепочках связаны дополнительными ковалентными связями. Цепочки ниобия в кристаллической структуре, для получения сверх проводящих свойств не должны быть нарушены, что может произойти при избытке атомов олова или при недостаточной степени порядка в кристаллической решетке. Диаграмма фазового равновесия системы Nb-Sn приведена на рисунке:
toC
2500
a+ж 2000
2000
a Ж
1500 Nb3Sn3
a+Nb3Sn 910-920
1000
Nb3Sn 840-860
500 805-820 NbSn7 232-234
Nb 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Sn Соединение Nb3Sn хрупко и изделие из него не могут бать получены обычным металлургическим путем, т.е. выплавкой с последующей деформацией. Массивные изделия из этого соединения: цилиндры, пластины и т.д. получают, как правило, металлокерамическим методом, т.е. смешивая в соответствующих пропорциях порошки ниобия и олова, прессуя изделия нужной формы и нагревая их до температуры образования химического соединения Nb3Sn, обычно в интервале 960-1200O.
5. Получение джозефсоновских переходов.
Джозефсоновские туннельные переходы представляют собой две тонкие сверхпроводящие пленки разделенные барьерным слоем диэлектрика или полупроводника. Рассмотрим некоторые из методов получения переходов с диэлектрическим барьером. На тщательно очищенную подложку в вакууме наносится первая пленка сверхпроводящего соединения толщиной в несколько тысяч ангстрем.