6.11 Suprajohtavuus ja Josephson-ilmiö

Etusivu ／ Luku 6: Kvanttialue

I. Ilmiöt ja keskeiset kysymykset

Kun tietyt metallit tai keraamit jäähdytetään riittävän alas, niiden sähkönvastus putoaa mittaamattoman pieneksi ja virta voi kiertää suljetussa renkaassa vuosien ajan heikkenemättä. Ulkoinen magneettikenttä työntyy pois materiaalin sisältä; vain erityisissä olosuhteissa se pääsee sisään hyvin ohuina, kvantittuneina vuoputkina. Jos kahden suprajohtavan kappaleen väliin asetetaan erittäin ohut eriste, vakaa virta voi kulkea ilman napajännitettä; kun järjestelmää ajetaan radiotaajuudella (RF), jännite lukittuu porrastetuiksi tasoiksi.

Nämä piirteet määrittävät suprajohtavuuden ja Josephson-ilmiön: nollavastus, täydellinen diamagnetismi (tai kvantittuneen vuon läpäisy vuoputkina), nollajännitteinen supervirta sekä RF:n synnyttämät jänniteportaat. Kysymykset ovat: miksi virran “kitka” katoaa nopeasti jäähdytyksessä? Miksi magneettikenttä pääsee sisään vain ohuina, “kiintiöityinä” putkina? Miten virta voi ylittää eristeen, ja miksi mikroaallot lukitsevat vasteen tasaisiksi portaiksi?

II. Tulkinta energiasäieteorian (EFT) mukaan: vaiheeseen lukitut elektroniparit, suljetut häviökanavat ja koherentti “vastuunvaihto” esteen yli

1. Ensin paritus, sitten vaiheiden “ompeleminen” yhteen
   Energiasäieteoriassa (EFT) elektroni on vakaa yksisilmukkainen kierre, jonka ulkokerros vuorovaikuttaa “energia­meren” ja kideristikon kanssa. Lämpötilan laskiessa ristikko värähtelee vähemmän, ja joissakin materiaaleissa avautuu elektronien kululle tasaisempi jännitekäytävä, jolloin kaksi vastakkaissuuntaista kierrettä muodostaa parin. Paritus kumoaa tai madaltaa monia energianhajoamisen kanavia. Kun jäähdytys jatkuu, monien parien ulkokerrosten vaiheet asettuvat linjaan ja laajenevat koko näytteen kattavaksi yhteisvaiheverkoksi—kuin yhtenä kappaleena liikkuva vaihematto.
2. Miksi vastus on nolla: häviökanavien kollektiivinen sulkeutuminen
   Tavallinen vastus syntyy, kun virta vuotaa energiaa ympäristöön lukuisia pieniä reittejä pitkin—epäpuhtaudet, fononit, karkeat rajapinnat ja muut. Kun vaihematto on pingottunut paikalleen, koherenssia rikkovia paikallisia “ryppyjä” on vaikea muodostaa, ja hajoamiskynnys nousee jyrkästi. Niin kauan kuin kuormitus ei revi mattoa, virta ei vuoda energiaa ja mitataan nollavastus.
3. Miksi diamagnetismi ja vuon kvantitus: vaihe ei taivu mielivaltaisesti
   Säilyttääkseen sisäisen tasaisuutensa vaihematto vastustaa magneettista vääntöä. Materiaalin pinnalle syntyy sen vuoksi paluuvirtoja, jotka työntävät kentän ulos (täydellinen diamagnetismi). Joissakin materiaaleissa kenttä saa tunkeutua ohuina säikeinä; kukin vastaa vaiheen kiertoa kokonaislukumäärän verran—tämä on vuon kvantittuminen. Säikeet voi nähdä “onttoina jännitefilamenttiytiminä”, joiden ympärillä vaihe kiertää; ne hylkivät toisiaan ja muodostavat geometrisia kuvioita.
4. Miksi Josephson-supervirta: koherentti vastuunvaihto kapean esteen yli
   Kun kahden “vaihematon” väliin jätetään ultraviohut eriste tai heikko metallisidos, väliin syntyy lähikriittinen vyöhyke—ei vielä täysin koherentti mutta hyvin lähellä. Tässä kapeassa “ovenraossa” parien vaiheet voivat välittyä koherentisti: ei yksittäisen hiukkasen rynnäköllä, vaan lyhyen vaihesillan “ommellen” raon yli.

• Kun “tahti” on sama molemmin puolin, silta siirtää vaiheen vakaasti: syntyy supervirta ilman jännitettä (tasavirta-Josephson).
• Kun “tahti” poikkeaa—sovitetun jännitteen tai RF-ajon vuoksi—vaihe-ero muuttuu tasaisesti tai lukittuu ulkoiseen rytmiin; silta pumppaa supervirtaa määrätyssä tempossa, mikä tuottaa vaihtovirtaista käyttäytymistä ja taajuuslukittuja jänniteportaita.

5. Miksi ilmiö ei ole aina täydellinen: viat ja repeämät avaavat häviöt uudelleen
   Liian suuri virta, vahva kenttä, kohoava lämpötila tai viat, jotka pinnaavat vaiheen, saavat kvantittuneet pyörteet liikkeelle. Pyörteiden ryömiessä vaihematto repeää ketjuiksi pienistä aukoista, joista energia karkaa. Seurauksena ilmenee kriittinen virta, häviöhuippuja ja epälineaarinen vaste.

III. Tyypillisiä tilanteita

1. Kaksi suprajohtajaperhettä:

• Toinen torjuu lähes kaiken kentän ja menettää suprajohtavuuden kynnysarvon ylittyessä.
• Toinen päästää vuon sisään ohuina putkina; voimakkaissa kentissä muodostuu pyörre­hiloja, jotka kulkettavat silti virtaa. Ero kuvastaa, kuinka paljon vaihematto sietää magneettista vääntöä.

2. Suprajohtava rengas ja pysyvä virta:
   Suljetussa silmukassa vaiheen kierron on oltava kokonaislukuinen; niin kauan kuin matto ei repeä, virta säilyy hyvin pitkään. Jos suljettu vuo ei ole kokonaislukukerrannainen, järjestelmä hyppää lähimpään kokonaislukutilaan, mikä näkyy diskreetteinä vakaina tasoina.
3. Tunneliliitos ja heikko kytkentä:
   Ultraviohessa raossa supervirta voi kulkea ilman jännitettä; RF-ajolla ilmestyvät jänniteportaat, mikä osoittaa, että vaihe-ero lukittuu ulkoiseen rytmiin.
4. Rinnakkaissilmukka: interferometri:
   Kaksi vaihesiltaa, jotka muodostavat pienen renkaan, kokevat ulkoisen vuon alla eri suuruiset vaihehypyt. Supervirta värähtelee jaksollisesti vuon funktiona ja toimii erittäin herkänä vuomittarina.

IV. Havainnoitavat “sormenjäljet”

• Äkillinen putoaminen nollavastukseen: Tietyn kynnyslämpötilan alapuolella vastus romahtaa.
• Täydellinen diamagnetismi tai vuoputkihilat: Kenttä torjutaan, tai se tunkeutuu ohuina putkina säännöllisin kuviomuodoin.
• Nollajännitteinen supervirta ja kriittinen virta: Virta kulkee itsestään rajaan asti ja murtuu sen jälkeen.
• RF-portaat: RF-ajolla jännite lukittuu portaisiin, mikä vahvistaa vaihe-eron rytmilukituksen.
• Vakio interferenssijakso: Pienissä renkaissa virta värähtelee vakiolla jaksolla vuon suhteen.
• Pyörteiden pinnaus ja ryömintä: Viat voivat vähentää häviöitä mutta nostaa kriittistä virtaa; pyörteiden ryömiessä syntyy häviöpiikkejä.

V. Rinnakkaisuus vallitsevan tulkinnan kanssa (fysiikka on sama)

• Vallitseva kuvaus esittää elektroniparien kondensoitumisen makroskooppisella järjestysparametrilla (kompleksinen amplitudi, jolla on vaihe). Nollavastus seuraa häviöttömästä vaihevirtauksesta; diamagnetismi vaiheesta, joka vastustaa vääntöä; vuon kvantitus ja pyörteet kokonaislukuisen kierron vaatimuksesta.
• Energiasäieteoria kertoo saman tarinan konkreettisemmin: elektroniparit ovat kytkettyjä silmukoita; vaihematto on koko näytteen kattava yhteisvaiheverkko; nollavastus on häviökanavien kollektiivinen sulkeutuminen; vuon kvantitus on topologinen vika onton jännitefilamenttiytimen ympärillä; Josephson-käyttäytyminen on lyhyt vaihesilta lähikriittisen raon yli. Lait ja ilmiöt vastaavat toisiaan; ero on kerronnassa, joka juurruttaa geometrian “säikeiden ja meren” aineelliseen kuvaan.

VI. Yhteenvetona

Suprajohtavuus ei tarkoita, että elektronit “yhtäkkiä täydellistyvät”, vaan että elektronit pareittuvat, niiden vaiheet lukittuvat yhdeksi yhteiseksi matoksi, ja ne välittyvät koherentisti esteiden yli:

• Heikolla ajolla matto sulkee energian vuotoreitit → nollavastus.
• Matto vastustaa mielivaltaista vääntöä → työntää magneettikentän ulos tai päästää sisään vain kvantittuneita pyörteitä.
• Kahden maton välissä lähikriittinen rako voidaan silloittaa vaihesillalla, joka kuljettaa supervirtaa ilman jännitettä ja ulkoisen rytmin alla porrastaa jännitteen tikapuuksi.

Yksi lause muistiin: paritus → vaihelukitus → koherentti vastuunvaihto esteen yli—koko suprajohtavuuden ja Josephson-ilmiön “taika” nousee näistä kolmesta askeleesta.