כפי שהוסבר בכתבה קודמת מוליכי על הינם חומרים בהם זרם יכול לזרום ללא כל התנגדות, וללא כי יצירת מפל מתח בין שני צידי מוליך העל. שאלה מעניינת היא מה יקרה, אם ניקח שני מוליכי על, ונצמיד אותם זה אל זה, כאשר ביניהם נמצאת שכבה דקה מאוד של חומר מוליך רגיל, כלומר בעל התנגדות סופית.
מערך שכזה נקרא צומת ג'וזפסון על שם הפיזיקאי אשר חזה לראשונה את התנהגותה. ניתן לסמנה באופן פשוט כצומת SNS ( superconductor – normal conductor – superconductor) כפי שמובהר בתמונה.
בראיה פשטנית ניתן היה לחשוב כי התנהגות מערך זה הינה פשוטה, והרי מדובר בחיבור של שלושה נגדים בטור. שני נגדים בעל התנגדות 0 והנגד הקטן והסופי שבניהם, ועל כן פשוט נקבל נגד בעל התנגדות סופית. ראיה שכזו אינה נכונה במקרה זה משום שהיא אינה לוקחת בחשבון את טבעם המיוחד של מוליכי העל.
כפי שתואר בכתבה הקודמת, מוליכות על נובעת מהתנהגות שיתופית של אלקטרונים רבים. עקב כך ניתן לתאר את מוליך העל באמצעות פונקצית גל בודדת (למרות שהוא מורכב ממספר אלקטרונים עצום). כאשר לפונקציה זו יש משרעת (אמפליטודה) ומופע (פאזה) בכל מקום במרחב.
בעוד שמשרעת פונקצית הגל מצינת את צפיפות האלקטרונים בכל מקום ומקום, המופע קשור דווקא לזרם הזורם במוליך העל. ניתן להוכיח כי כאשר מוזרם זרם דרך המוליך, המופע משתנה במרחב.
כעת דמינו את המצב של הצומת SNS שהרכבנו קודם לכן. כל אחד ממוליכי העל מורכב מפונקצית גל נפרדת, והמופע שלהן אינו מתואם, לכן משני צדדיו של שכבת המוליך הרגיל נוצר הפרש מופעים. (ניתן לדבר על מופעים אלו גם בתוך המוליך הרגיל מאחר והוא דק מאוד, ועקב תופעת המנהור הקוונטי פונקצית הגל של מוליכי העל חודרות אליו ומרגישות זו את זו).
הפרש מופעים זה מוביל לשלוש תופעות מעניינות
א) גם מבלי שנציב מתח משני צידי הצומת, יזרום דרכה זרם ישיר (DC), שגודלו תלוי בהפרש המופעים
ב) כאשר נשים מתח ישיר (DC) משני צידי הצומת נקבל באופן מפתיע, זרם חילופין (AC) שתדירותו עומדת ביחס ישר למתח ששמנו
ג) כאשר נשים מתח חילופין (AC) משני צידי הצומת, יזרום דרכה זרם ישיר (DC)
חשוב לציין כי תופעה זו הינה תופעה מדויקת ביותר, כלומר היחס בין תדירות הזרם לבין המתח הישיר שמופעל בין שני צידי הצומת הינו מדויק מאוד, וערכו אינו תלוי בפרטי הצומת. עקב כך יכול אפקט זה לשמש כהגדרה לערכים של תדירות ו/או מתח. מכיוון שאנו יודעים להגדיר תדירות באופן מדויק ביותר באמצעות רעד של גבישי קוורץ, ישנה טענה רווחת כיום כי יש להשתמש באפקט ג'וזפסון על מנת להגדיר במדויק מהוא גודלו של הוולט, יחידת הבסיס של מתח חשמלי.
מעבר לשימוש זה, ולשימוש הברור של הצומת כממיר ממתח ישיר ולמתח חילופין ולהפך התפתחו לאורך השנים מספר שימושים נוספים לצומת זו במעגלים חשמליים "קוונטים". השימוש הנפוץ/חשוב ביותר הינו הSQUID – מד שדה מגנטי אשר מסוגל למדוד שדות מגנטים קטנים ביותר, עד לסדר גודל של השדות הטבעיים אשר נוצרים בגוף בעלי החיים עקב פעילותם. מכשיר זה מתבסס על תכונה נוספת של הצומת והיא שהזרם המקסימאלי אשר יכול לזרום דרכה תלוי בעוצמת השדה המגנטי בתוכו היא נמצאת.
אפקט ג'וזפסון הינו עם כן אפקט חשוב בעל השלכות רבות. אינדיקציה נוספת לחשיבותו בעיני הקהילייה המדעית הינה העובדה כי בשנת 1973 זכה בריאן ג'וזפסון בפרס נובל בפיזיקה עבור תגלית זו.
תמונה - תיאור סכמטי של צומת ג'וזפסון
מאת: ירון גרוס
המחלקה לפיסיקה של חומר מעובה
מכון ויצמן למדע
הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה תמיד מתקבלות בברכה.
