Was ist der Josephson-Effekt?
Der Josephson-Effekt ist der Durchgang von Elektronenpaaren durch eine dünne, isolierende dielektrische Barriere zwischen zwei Supraleitern. Ein Kupfer-Elektronenpaar passiert die Isolierschicht durch einen Tunneleffekt. Es tritt kein Spannungsabfall auf, während der Strom unter einem bestimmten Wert bleibt, der als kritischer Strom bezeichnet wird. Bei konstanten positiven Spannungen werden sowohl Wechselströme als auch Gleichströme aus dem Elektronendurchgang aufrechterhalten. Der Effekt wurde in den frühen 1960er Jahren von Brian D. Josephson theoretisch vorhergesagt und wird zur Messung sehr niedriger Temperaturen und in Josephson-Junction-Schaltkreisen verwendet, mit denen Signale schnell umgeschaltet werden können, um Daten zu speichern.
Elektronen passieren einen isolierenden Film, der mikroskopisch dünn ist. Der Josephson-Effekt kann durch Anlegen eines Magnetfelds gesteuert werden, das die Stärke eines Überstroms durch die Barriere verringert. Magnetfelder werden durch gebrochene Wirbel daran gehindert, in das Innere des Josephson-Übergangs einzudringen. Die Stromstärke steigt und fällt an verschiedenen Stellen, während die Feldstärke verstärkt wird, wodurch der Signaldurchgang und das Schalten gesteuert werden können.
Wenn die Supraleiter Gleichstrom ausgesetzt werden, werden Elektronenpaare durch eine Barriere geleitet, während elektromagnetische Wellen freigesetzt werden, was zur Erzeugung kleiner Lichtmengen anstelle von Wärme führt. Der Josephson-Effekt kann auch auf Funkelektroniken angewendet werden, die unter extrem kalten Bedingungen eingesetzt werden, da ein Josephson-Kontakt wie ein elektromagnetischer Schwingungssensor funktionieren kann. Schaltungen, die auf dieser Verbindung basieren, können auch Daten speichern und auf engstem Raum hergestellt werden, da sie so effizient sind, dass die Verwendung in Computern möglich ist.
Der Josephson-Effekt tritt bei sehr niedrigen Temperaturen auf und ist am effizientesten bei Temperaturen nahe null Grad Kelvin (etwa -460 °: F). Systeme, die diesen Effekt nutzen, können zur Messung von Magnetfeldern lose miteinander verbunden werden. Sie können als Teil von Generatoren, die für das Umschalten auf viele Frequenzen ausgelegt sein können, auch niedrige Leistungspegel erzeugen. Wie der Josephson-Effekt angewendet wird, hängt von den Kenntnissen eines Ingenieurs in der Quantenphysik ab und wird mithilfe einer Vielzahl komplexer mathematischer Formeln gemessen.
Instrumente mit Josephson-Kontakten verwenden den Josephson-Effekt, um präzise dimensionale Messungen durchzuführen, elektromagnetische Signale zu verstärken und schnelle Computer anzutreiben. Ein Josephson-Tunnelübergang schaltet Signale schneller als jeder andere Halbleiterschalter. Ein solches System kann mit Gleichstrom- oder Mikrowellenfrequenzen betrieben werden, so dass Supraleiter in vielen verschiedenen Mess- und Computeranwendungen verwendet werden können.