ما هو تأثير جوزيفسون؟
كيف تعمل تقاطعات جوزيفسون – Josephson junctions؟
مميزات تقاطعات جوزيفسون:
حاجز تقاطع جوزيفسون:
بناء الدوائر الإلكترونية من تقاطعات جوزيفسون:
تطبيقات تقاطعات جوزيفسون:
ما هو تأثير جوزيفسون؟

 

تأثير جوزيفسون: هو تدفق التيار الكهربائي بين قطعتين من مادة فائقة التوصيل مفصولة بطبقة رقيقة من مادة عازلة. الموصلات الفائقة هي المواد التي تفقد كل المقاومة الكهربائية عند تبريدها تحت درجة حرارة معينة بالقرب من الصفر المطلق. تنبأ الفيزيائي الإنجليزي “بريان جوزيفسون” بتدفق التيار في عام (1962) على أساس نظرية ((BCS (qv) للموصلية الفائقة. قدم التحقق التجريبي اللاحق من تأثير “جوزيفسون” الدعم لنظرية (BCS).

 

يتدفق تيار “جوزيفسون” فقط في حالة عدم توصيل بطارية عبر الموصلات الفائقة. إذا تم إدخال بطارية، فإنّ التيار يتذبذب بسرعة كبيرة بحيث لا يتدفق صافي التيار. يؤثر وجود الحقول المغناطيسية بالقرب من الموصلات الفائقة على تأثير جوزيفسون، مما يسمح باستخدامه لقياس المجالات المغناطيسية الضعيفة جداً.

 

كيف تعمل تقاطعات جوزيفسون – Josephson junctions؟

 

يتم إنشاء تقاطع “جوزيفسون” عن طريق وضع طبقة رقيقة من مادة غير فائقة التوصيل بين طبقتين من مادة فائقة التوصيل. سميت الأجهزة على اسم “بريان جوزيفسون”، الذي توقع أنّ أزواجاً من الإلكترونات فائقة التوصيل يمكن أن “تنفق” (tunnel) عبر الحاجز غير الفائق الموصلية من موصل فائق إلى آخر.

 

كما توقع الشكل الدقيق لعلاقات التيار والجهد للتقاطع. أثبت العمل التجريبي أنّه كان على حق، وحصل “جوزيفسون” على جائزة نوبل في الفيزياء عام (1973م) عن عمله.

 

مميزات تقاطعات جوزيفسون:

 

لفهم الميزات الفريدة والمهمة لتقاطعات جوزيفسون، من الضروري أولاً فهم المفاهيم والسمات الأساسية للموصلية الفائقة. إذا قمت بتبريد العديد من المعادن والسبائك إلى درجات حرارة منخفضة جداً (في حدود 20 درجة أو أقل من الصفر المطلق)، يحدث انتقال طوري (phase transition).

 

عند هذه “درجة الحرارة الحرجة”، ينتقل المعدن مما يُعرف بالحالة العادية، حيث يكون له مقاومة كهربائية، إلى حالة التوصيل الفائق، حيث لا توجد مقاومة لتدفق التيار الكهربائي المباشر. تُظهر الموصلات الفائقة الأحدث عالية الحرارة، المصنوعة من مواد خزفية (ceramic)، نفس السلوك ولكن في درجات حرارة أكثر دفئاً.

 

ما يحدث هو أن الإلكترونات في المعدن تصبح مقترنة أي على شكل أزواج. فوق درجة الحرارة الحرجة، يكون التفاعل الصافي بين إلكترونين مثيراً للاشمئزاز. تحت درجة الحرارة الحرجة، يصبح التفاعل العام بين إلكترونين جذاباً إلى حد ما، نتيجة تفاعل الإلكترونين مع الشبكة الأيونية للمعدن.

 

هذا الجذب الطفيف للغاية يسمح لهم بالهبوط إلى حالة طاقة منخفضة، مما يفتح “فجوة” في الطاقة. بسبب فجوة الطاقة وحالة الطاقة المنخفضة، يمكن للإلكترونات أن تتحرك (وبالتالي يمكن للتيار أن يتدفق) دون أن تتشتت بواسطة أيونات الشبكة.

 

عندما تشتت الأيونات الإلكترونات، فإنّها تسبب مقاومة كهربائية في المعادن. لا توجد مقاومة كهربائية في الموصل الفائق، وبالتالي لا يوجد فقد للطاقة. ومع ذلك، هناك حد أقصى للتيار الفائق يمكن أن يتدفق خلاله، يسمى التيار الحرج (critical current).

 

فوق هذا التيار الحرج تكون المادة طبيعية. هناك خاصية أخرى مهمة للغاية وهي أنّه عندما يدخل المعدن في حالة الموصلية الفائقة، فإنّه يطرد جميع المجالات المغناطيسية، طالما أنّ المجالات المغناطيسية ليست كبيرة جداً.

 

حاجز تقاطع جوزيفسون:

 

في تقاطع جوزيفسون، يجب أن يكون الحاجز غير الفائق الموصلية الذي يفصل بين الموصلين الفائقين رقيقاً جداً. إذا كان الحاجز عازلاً، فيجب أن يكون بسمك (30) أنجستروم أو أقل. إذا كان الحاجز معدناً آخر (غير موصل فائق)، فيمكن أن يصل سُمكه إلى عدة ميكرونات.

 

حتى يتم الوصول إلى تيار حرج، يمكن للتيار الفائق التدفق عبر الحاجز. وبالتالي يمكن لأزواج الإلكترونات أن تنفق عبر الحاجز دون أي مقاومة. ولكن عندما يتم تجاوز التيار الحرج، سيتطور جهد آخر عبر التقاطع. سيعتمد هذا الجهد على الوقت، أي أنّه جهد تيار متردد. يؤدي هذا بدوره إلى انخفاض التيار الحرج في الوصلة، مما يتسبب في تدفق تيار طبيعي أكبر وزيادة جهد التيار المتردد.

 

تردد جهد التيار المتردد هذا هو ما يقرب من (500) جيجا هرتز (GHz) لكل مللي فولت عبر التقاطع. لذلك، طالما أنّ التيار المار خلال التقاطع أقل من التيار الحرج، فإنّ الجهد يساوي صفراً. بمجرد أن يتجاوز التيار التيار الحرج، فإنّ الجهد ليس صفراً ولكنّه يتأرجح في الوقت المناسب. يعد اكتشاف وقياس التغيير من حالة إلى أخرى في صميم العديد من التطبيقات لتقاطعات جوزيفسون.

 

بناء الدوائر الإلكترونية من تقاطعات جوزيفسون:

 

يمكن بناء الدوائر الإلكترونية من تقاطعات جوزيفسون، وخاصة الدوائر المنطقية الرقمية. يعمل العديد من الباحثين على بناء أجهزة كمبيوتر فائقة السرعة باستخدام منطق جوزيفسون. يمكن أيضاً تشكيل تقاطعات جوزيفسون في دوائر تسمى (SQUIDs) وهو اختصار لجهاز التداخل الكمي فائق التوصيل.

 

هذه الأجهزة حساسة للغاية ومفيدة للغاية في بناء مقاييس مغناطيسية وفولتميترية شديدة الحساسية. على سبيل المثال، يمكن للمرء أن يصنع الفولتميتر الذي يمكنه قياس بيكوفولت. هذا أكثر حساسية بحوالي (1000) مرة من الفولتميتر المتاح والمتوفر.

 

تطبيقات تقاطعات جوزيفسون:

 

يتكون (SQUID) من حلقة بها تقاطعان من جوزيفسون يقطعان الحلقة. يعتبر (SQUID) شديد الحساسية للمقدار الإجمالي للمجال المغناطيسي الذي يخترق منطقة الحلقة، وهو الجهد الذي تقيسه عبر الجهاز المرتبط بشدة بالمجال المغناطيسي الكلي حول الحلقة.

 

يستخدم الحبّار (SQUID) للبحث في مجموعة متنوعة من المجالات. نظراً لأنّ الدماغ يعمل كهربائياً، يمكن للمرء، عن طريق استشعار المجالات المغناطيسية التي تم إنشاؤها بواسطة التيارات العصبية، مراقبة نشاط الدماغ أو القلب. يمكنك أيضاً استخدام مقياس المغناطيسية (SQUID) للبحث الجيولوجي، للكشف عن بقايا التغييرات الجيوفيزيائية السابقة لحقل الأرض في الصخور.

 

وبالمثل، فإنّ التغييرات في المجال المغناطيسي للمحيط ناتجة عن الغواصات التي تمر تحت سطح المحيط، والبحرية الأمريكية مهتمة جداً بالحبّار (SQUIDs) من أجل اكتشاف الغواصات. يستخدم الحبّار أيضاً بشكل كبير في معمل الأبحاث في مقاييس الفولتميتر المصممة خصيصاً، وفي مقاييس المغناطيسية ومقاييس الحساسية وفي مسح مجاهر الحبار. في هذه الأداة الأخيرة، يتم مسح الحبار عبر سطح العينة، وتنتج التغييرات في المغناطيسية على سطح العينة من خلال صورة.