6.11 Superkonduktibidad at ang Epekto ng Josephson

Home ／ Kabanata 6: Larangan ng Kuwantum

I. Mga pangyayari at pangunahing tanong

Kapag ang ilang metal o seramika ay napalamig nang sapat, bumabagsak ang resistansiya hanggang sa hindi na masukat, at kayang umiikot ang kuryente sa isang saradong singsing sa loob ng maraming taon nang hindi humihina. Itinutulak palabas ng materyal ang panlabas na magnetic field; sa piling kundisyon lamang ito nakakapasok bilang napakanipis na mga tubo ng fluks na may nakakuantisang halaga. Kapag may sobrang nipis na patong na insulador sa pagitan ng dalawang superkonduktor, may matatag na kuryenteng dumadaloy kahit walang inilalapat na boltahe; kapag tinamaan ng dalas na radyong (RF) liwanag, ang boltahe ay nagniniyabang hagdan-hagdan sa malinaw na mga antas.

Ito ang mga tanda ng superkonduktibidad at ng epekto ng Josephson: serong resistansiya, ganap na diamagnetismo (o pagpasok bilang nakakuantisang tubo ng fluks), superkuryente kahit walang boltahe, at mga “hakbang” ng boltahe sa ilalim ng RF. Ang mga tanong: bakit tila nawawala ang alitan kapag pinalamig? Bakit tanging “nakatalagang tubo” lang ang anyo ng pagpasok ng field? Paano nakakatawid ang kuryente sa insulador, at bakit nilalak ng mga alon ng mikrobang panlabas ang tugon tungo sa kehingahan na hagdan?

II. Paliwanag ayon sa Teorya ng Hiblang Enerhiya (EFT): pares na elektron na nakalukob ang yugto, pagsasara ng mga daanang nagpapakalat ng enerhiya, at magkakohirenteng “relay” sa kabila ng hadlang

1. “Ipagpares” muna, saka “tahian” ang mga yugto
   Sa Teorya ng Hiblang Enerhiya (EFT), ang elektron ay isang matatag na paikid na isang-singsing; nakikipag-ugnayan ang panlabas na sapin nito sa “dagat ng enerhiya” at sa kristal na salas. Kapag lumalamig at humihina ang pag-alog ng salas, nagbubukas sa ilang materyal ng mas makinis na koridor ng tensyon na sinusundan ng mga elektron; ang dalawang elektron na magkasalungat ang ikid ay nagpapareha. Binabawas o pinapahina ng pagpapareha ang marami sa mga landasing nagpapakalat ng enerhiya. Sa higit pang pagpapalamig, nagkakahinugan ang yugto ng panlabas na sapin ng mga pares at bumubuo ng magkaisang lambat ng yugto na tumatawid sa buong sample—mabuting isipin itong isang “karpet ng yugto” na umaagos nang sama-sama.
2. Bakit sero ang resistansiya: sama-samang pagsasara ng mga landas ng pagkalat ng enerhiya
   Ang karaniwang resistansiya ay bunga ng “pagtagas” ng enerhiya ng kuryente sa kapaligiran sa napakaraming maliliit na daan—dumi, mga fonon, gaspang ng hangganan, at iba pa. Kapag nakalatag na ang karpet ng yugto, mahirap mabuo ang mga kulubot na sumisira sa pagkakohirente, kaya biglang tumataas ang antas upang makapagpakalat ng enerhiya. Hangga’t hindi napupunit ang karpet ng sobrang pagmamaneho, hindi na tumatagas ang enerhiya, kaya sero ang nasusukat na resistansiya.
3. Bakit diamagnetismo at pagkakuantisa ng fluks: ayaw magpasobra-sobrang baluktot ang yugto
   Upang manatiling makinis sa loob, tumututol ang karpet ng yugto sa pagbabaluktot ng magnetic field. Kaya kusang lumilitaw ang mga agos sa ibabaw na nagtutulak sa field palabas (ganap na diamagnetismo). Sa ilang materyal, nakakapasok ang field bilang mga pinong tubo; bawat isa ay tumutugon sa pag-ikot ng yugto sa bilang na buumbilang—ito ang pagkakuantisa ng fluks. Maituturing ang mga tubong ito bilang “hungkag na ubod ng hiblang may tensyon,” paikot na niyayakap ng yugto; nagtutulakan ang mga ito at nakababuo ng mga heometrikong hanay.
4. Bakit may kuryenteng Josephson: magkakohirenteng relay sa makitid na pagitan
   Ilagay ang dalawang “karpet ng yugto” na pinaghiwalay ng napakanipis na insulador o mahinang metal. Ang gitna ay nasa malapit-kritikal na kalagayan—hindi pa ganap na magkakaisa ang yugto, ngunit halos handa na. Sa makitid na “pingga ng pinto” na ito, maaaring magpasa-kohirente ang yugto ng mga pares: hindi isang butil na bumubulusok, kundi maiksing tulay ng yugto na tinatahi sa siwang.

• Kapag magkapareho ang “kumpas” ng magkabilang panig, matatag na naipapasa ng tulay ang yugto: dumadaloy ang superkuryente kahit walang boltahe (tuwirang kuryenteng Josephson).
• Kapag nagkakaiba ang “kumpas”—dahil sa inilapat na boltahe o pagtulak ng RF—ang diperensya ng yugto ay nagbabago nang pantay o nalalak sa kumpas ng panlabas; binobomba ng tulay ang superkuryente sa takdang tiyempo, kaya lumilitaw ang salit-salitang asal at mga hakbang na nakalalak sa dalas.

5. Bakit hindi perpekto sa lahat ng oras: mga depekto at punit na muling nagbubukas ng mga landas
   Kung sobra ang agos, masyadong malakas ang field, tumataas ang temperatura, o may depektong nagpupako sa yugto, nahihila ang mga kuwantum na buhawi upang gumalaw. Sa pag-usad ng mga buhawi, napupunit ang karpet sa magkakasunod na maliliit na butas na pinagdaraan ng enerhiya. Bunga nito ang paglitaw ng kritikal na kuryente, mga tugatog ng pagkalat, at hindi linyar na tugon.

III. Karaniwang mga tagpo

1. Dalawang pamilya ng mga superkonduktor:

• Ang isa ay halos lubos na nagtataboy ng field, at kapag lampas na sa hangganan ay nagkakalas ang superkonduksiyon nang sabay-sabay.
• Ang ikalawa ay pinapapasok ang fluks bilang mga pinong tubo; sa malalakas na field, nagkahanay ang mga buhawi ngunit nakapagdadala pa rin ng agos. Ipinapakita ng kaibhang ito kung gaano katiisin ng karpet ng yugto ang pagbabaluktot ng magnetismo.

2. Singsing na superkonduktor at pangmatagalang agos:
   Sa saradong singsing, dapat buumbilang ang ikid ng yugto; kung hindi napupunit ang karpet, ang agos ay nananatili nang matagal. Kung ang nakapaloob na fluks ay hindi buumbilang na ulit, lumulundag ang sistema sa pinakamalapit na buumbilang na estado, at lumilitaw ang matatag na mga antas.
3. Dugtong na tunneling at mahinang ugnay:
   Sa sobrang nipis na siwang, dumadaloy ang superkuryente kahit walang boltahe; kapag may RF, naghahagdan ang boltahe, hudyat na nalalak ang diperensya ng yugto sa kumpas ng panlabas.
4. Magkakambal na singsing: interferometer:
   Kung dalawang tulay ng yugto ang bumuo ng maliit na singsing, nagkakaroon ang bawat tulay ng magkakaibang pag-angat ng yugto sa ilalim ng panlabas na fluks. Dahil dito, pana-panahong kumakabog ang superkuryente kasabay ng fluks, kaya nagiging napakasensitibong panukat ng fluks.

IV. Mga makikitang “tatak”

• Biglang bagsak sa serong resistansiya: Kapag lampas-baba sa isang natatanging temperatura, sumasadsad ang resistansiya.
• Ganap na diamagnetismo o hanay ng mga tubo ng fluks: Ang field ay itinutulak palabas, o nakakapasok bilang pinong tubo na may regular na ayos.
• Superkuryente nang walang boltahe at kritikal na kuryente: Kusang dumadaloy ang agos hanggang isang hangganan, saka bumibigay.
• Mga hakbang sa ilalim ng RF: Kapag may RF, nagniniyabang hagdan ang boltahe, patunay ng paglalak-kumpas ng diperensya ng yugto.
• Di-naiiba na periodisidad ng interferens: Sa maliit na singsing, pana-panahong bumabago ang agos kasabay ng fluks sa di-nagbabagong period.
• Pagpako at paggapang ng buhawi: Maaaring bumaba ang pagkalat dahil sa depekto ngunit tumaas ang kritikal na kuryente; kapag gumapang ang mga buhawi, lilitaw ang mga tugatog ng pagkalat.

V. Magkaharapang paghahambing sa paliwanag ng pangunahing daloy (iisa ang pisika)

• Inilalarawan ng pangunahing daloy ang pagko-kondensa ng mga pares na elektron sa pamamagitan ng makroskopikong parameter ng kaayusan (kompleks na amplitude na may yugto). Mula sa pag-agos ng yugto na walang pagkalat nagmumula ang serong resistansiya; mula sa pagtutol ng yugto na mabaluktot ang diamagnetismo; at mula sa pangangailangang buumbilang ang ikid ang pagkakuantisa ng fluks at mga buhawi.
• Inilalarawan ng Teorya ng Hiblang Enerhiya ang parehong larawan sa mas “nahahawakang” wika: ang mga pares na elektron ay magkaabay na paikid; ang karpet ng yugto ay magkaisang lambat ng yugto sa buong sample; ang serong resistansiya ay sama-samang pagsasara ng mga landas ng pagkalat; ang pagkakuantisa ng fluks ay depektong topolohiko sa palibot ng hungkag na ubod ng hiblang may tensyon; at ang Josephson ay maikling tulay ng yugto na tinatahi sa malapit-kritikal na siwang. Tugma ang mga batas at penomeno; ang kaibhan ay nasa pagsasaysay na inuugnay ang heometriya pabalik sa kuwentong “hibla at dagat”.

VI. Buod

Hindi dahil “biglang perpekto” ang mga elektron kaya may superkonduktibidad, kundi dahil ipinapareha ang mga elektron, pagkatapos ay ikinukulong sa iisang yugto ang di-mabilang na pares upang maging iisang karpet:

• Sa banayad na pagmamaneho, isinasara ng karpet ang mga landas ng tagas-enerhiya → sero ang resistansiya.
• Ayaw magpabaluktot ng karpet → itinutulak ang magnetic field, o pinapapasok lamang bilang nakakuantisang mga buhawi.
• Sa pagitan ng dalawang karpet, sapat na ang malapit-kritikal na siwang upang tahian ang tulay ng yugto, kaya dumadaloy ang superkuryente kahit walang boltahe at, sa ilalim ng kumpas ng panlabas, humahakbang upang makalikha ng hagdan ng boltahe.

Isang pangungusap na pang-alaala: ipareha → ikulong ang yugto → i-relay sa kabila ng hadlang—dito nagmumula ang kabuuang “salamangka” ng superkonduktibidad at ng epekto ng Josephson.