6.11 Nadprzewodnictwo i zjawisko Josephsona

Strona główna ／ Rozdział 6: Domena kwantowa

I. Zjawiska i kluczowe pytania

Gdy niektóre metale lub ceramiki zostaną dostatecznie schłodzone, ich opór elektryczny spada poniżej progu pomiaru, a prąd może przez lata krążyć w zamkniętej pętli bez zauważalnego zaniku. Zewnętrzne pole magnetyczne jest wypychane z objętości materiału; tylko w szczególnych warunkach wnika w postaci niezwykle cienkich, skwantowanych rurek strumienia. Jeśli między dwiema próbkami nadprzewodzącymi umieści się ultracienką warstwę izolatora, pojawia się stabilny prąd bez przyłożonego napięcia; po oświetleniu promieniowaniem o częstotliwości radiowej (RF) napięcie zamyka się w dyskretnych stopniach.

To właśnie definiuje nadprzewodnictwo i zjawisko Josephsona: zerowy opór, doskonały diamagnetyzm (lub przenikanie przez skwantowane rurki strumienia), superprąd przy zerowym napięciu oraz „schodki” napięcia pod wpływem RF. Pytania brzmią: dlaczego po schłodzeniu elektryczne „tarcie” nagle znika? Dlaczego pole magnetyczne może wnikać jedynie w postaci cienkich rurek o „stałej kwocie”? Jak prąd przechodzi przez izolator i czemu mikrofale porządkują odpowiedź w równe stopnie?

II. Interpretacja według Teorii Włókien Energii (EFT): fazowo zablokowane pary elektronów, zamknięte kanały dyssypacji i koherentna „sztafeta” przez barierę

1. Najpierw parowanie, potem „zszywanie” faz
   W ujęciu Teorii Włókien Energii elektron jest stabilnym pojedynczym zwojem, którego warstwa zewnętrzna sprzęga się z „morzem energii” i siecią krystaliczną. Gdy temperatura spada, drgania sieci słabną i w niektórych materiałach pojawia się korytarz naprężeń, którym elektrony mogą podążać kolejno; dwa elektrony o przeciwnych kierunkach zwoju tworzą parę. Parowanie wygasza lub obniża wiele kanałów rozpraszania energii. Dalsze chłodzenie wyrównuje fazy warstw zewnętrznych licznych par i rozpościera po całej próbce współfazową sieć—można ją sobie wyobrazić jako „dywan fazowy” poruszający się jak całość.
2. Skąd zerowy opór: zbiorowe zamknięcie kanałów rozpraszania
   Zwykły opór to skutek „wycieku” energii prądu do otoczenia przez mnóstwo drobnych dróg—zanieczyszczenia, fonony, chropowate granice i inne. Gdy dywan fazowy jest rozpostarty, lokalne „zagniecenia” zrywające koherencję trudno wytworzyć, a próg dyssypacji gwałtownie rośnie. Dopóki wymuszenie nie rozerwie dywanu, prąd nie wytraca energii—mierzony opór jest zerowy.
3. Skąd diamagnetyzm i kwantowanie strumienia: fazy nie da się dowolnie skręcać
   Aby zachować gładkość wewnątrz, dywan fazowy sprzeciwia się skręcaniu przez pole magnetyczne. Na powierzchni spontanicznie powstają prądy, które wypychają pole na zewnątrz (doskonały diamagnetyzm). W części materiałów dopuszczalne jest przenikanie w postaci cienkich włókien; każde odpowiada całkowitej liczbie obejść fazy wokół osi—to kwantowanie strumienia. Włókna te można traktować jako „puste rdzenie włókien naprężeń”, wokół których faza krąży; wzajemnie się odpychają i układają w geometryczne wzory.
4. Skąd prąd Josephsona: koherentna sztafeta przez wąską szczelinę
   Umieść dwa „dywany fazowe” rozdzielone ultracienkim izolatorem lub słabym metalem. Obszar pośrodku jest bliski krytyczności—jeszcze nie w pełni koherentny, lecz bardzo blisko. W tej wąskiej „szczelinie” fazy par mogą przekazywać się koherentnie: nie jako pojedyncza cząstka przebijająca barierę, lecz jako krótki most fazowy „zszyty” ponad przerwą.

• Gdy „tempo” po obu stronach jest zgodne, most przenosi fazę stabilnie: płynie superprąd bez napięcia (stałoprądowe zjawisko Josephsona).
• Gdy „tempo” się różni—na skutek przyłożonego napięcia lub pobudzenia RF—różnica faz zmienia się równomiernie lub blokuje do zewnętrznego rytmu; most pompuje superprąd w zadanych tempach, co daje zachowanie przemienne i schodki blokady częstotliwości.

5. Dlaczego nie zawsze idealnie: defekty i rozdarcia ponownie otwierają dyssypację
   Zbyt duży prąd, silne pole, podwyższona temperatura lub defekty kotwiczące fazę wprawiają w ruch kwantowe wirowe rdzenie. Gdy wirosy „pełzną”, dywan rozrywa się w łańcuchy drobnych otworów, którymi ucieka energia. Pojawiają się wówczas prąd krytyczny, piki strat i nieliniowa odpowiedź.

III. Typowe scenariusze

1. Dwie rodziny nadprzewodników:

• Jedna niemal całkowicie wypycha pole i po przekroczeniu progu gwałtownie traci nadprzewodnictwo.
• Druga pozwala na wnikanie strumienia jako cienkich rurek; w silnych polach tworzą się kratki wirowe, które mimo to przenoszą prąd. Różnica odzwierciedla tolerancję dywanu fazowego na skręcanie magnetyczne.

2. Pętla nadprzewodząca i trwały prąd:
   W zamkniętej pętli całkowita liczba obejść fazy musi być liczbą całkowitą; dopóki dywan nie zostanie rozdarty, prąd utrzymuje się bardzo długo. Gdy uwięziony strumień nie jest wielokrotnością całkowitą, układ przeskakuje do najbliższego stanu całkowitego, co widać jako dyskretne stabilne poziomy.
3. Złącza tunelowe i słabe połączenia:
   W ultracienkiej szczelinie superprąd może płynąć bez napięcia; pod wpływem RF pojawiają się stopnie napięcia, co oznacza, że różnica faz blokuje się do zewnętrznego rytmu.
4. Pętla równoległa: interferometr:
   Dwa mosty fazowe tworzące małą pętlę doświadczają pod zewnętrznym strumieniem różnych przesunięć fazy. Superprąd oscyluje okresowo wraz ze strumieniem i może służyć jako wyjątkowo czuły miernik strumienia.

IV. Rozpoznawalne „odciski palców”

• Gwałtowny spadek oporu do zera: Poniżej temperatury charakterystycznej opór gwałtownie maleje.
• Doskonały diamagnetyzm lub sieci rurek strumienia: Pole jest wypychane, albo wnika jako cienkie rurki w regularnych wzorach.
• Superprąd bez napięcia i prąd krytyczny: Prąd płynie samorzutnie do pewnej granicy, po czym zanika.
• Schodki pod wpływem RF: W obecności RF napięcie zamyka się w stopniach, co potwierdza blokadę rytmu różnicy faz.
• Stała periodyczność interferencji: W małych pętlach prąd oscyluje z niezmiennym okresem względem strumienia.
• Kotwiczenie i pełzanie wirowe: Defekty mogą zmniejszać straty, ale zwiększać prąd krytyczny; podczas pełzania wirosów pojawiają się piki strat.

V. Zestawienie z ujęciem kanonicznym (mówimy o tej samej fizyce)

• Opis kanoniczny ujmuje kondensację par elektronów przez makroskopowy parametr uporządkowania (zespoloną amplitudę z fazą). Zerowy opór wynika z bezdysypacyjnego przepływu fazy; diamagnetyzm—z tendencji fazy do oporu wobec skręcania; kwantowanie strumienia i wirosy—z wymogu całkowitej cyrkulacji.
• Teoria Włókien Energii przekłada to na bardziej „materialny” obraz: pary elektronów to sprzężone zwoje; dywan fazowy to współfazowa sieć obejmująca całą próbkę; zerowy opór to zbiorowe zamknięcie kanałów dyssypacji; kwantowanie strumienia to defekt topologiczny wokół pustego rdzenia włókna naprężeń; zjawisko Josephsona to krótki most fazowy nad prawie krytyczną szczeliną. Prawa ilościowe i obserwacje są zgodne; różni je narracja, która zakotwicza geometrię w opowieści o „włóknach i morzu”.

VI. Podsumowując

Nadprzewodnictwo nie oznacza, że elektrony „nagle stają się doskonałe”, lecz że tworzą pary, ich fazy są blokowane w jeden wspólny dywan, a następnie koherentnie przekazywane przez przeszkody:

• Przy słabym wymuszeniu dywan zamyka drogi ucieczki energii → zerowy opór.
• Dywan sprzeciwia się dowolnemu skręcaniu → wypycha pole lub dopuszcza jedynie skwantowane wirosy.
• Między dwoma dywanami prawie krytyczna szczelina może zostać zmostkowana mostem fazowym, który przenosi superprąd bez napięcia i—pod zewnętrznym rytmem—stopniuje napięcie, tworząc drabinkę.

Jedno zdanie na pamięć: sparować → zablokować fazę → przekazać koherentnie przez barierę—cała „magia” nadprzewodnictwa i zjawiska Josephsona wynika z tych trzech kroków.