Мессбауера.
. Еталон вольта на ефекті Джозефсона
Ефект Джозефсона виникає в контактах двох надпровідників, розділених тонким шаром діелектрика (рис. 10).
Рисунок 10 - Схематичне зображення Джозефсоновских переходу
Як відомо, у вакуумі електрони відштовхуються один від одного за законом Кулона. У твердому тілі, крім електронів, маються позитивно заряджені іони решітки. Притягаючи до електронів, вони екранують їх заряд. У деяких речовинах при досить низьких температурах сумарне взаємодія електронів може відповідати їх слабкому притяганню. У цьому випадку електрони утворюють так звані куперовские пари. Такі пари, на відміну від окремих електронів, мають нульовий с?? ин (тобто підкоряються статистиці Бозе). Це дозволяє великому числу пар скупчуватися в одному і тому ж квантовому стані. Якщо середня швидкість куперовских пар відмінна від нуля, тобто існує незатухаючий електричний струм, то кажуть, що має місце явище надпровідності.
Якщо прикласти до двох сторін Джозефсоновских переходу різниця потенціалів U, то при тунелюванні куперовской пари електронів з одного надпровідника в інший надлишок її енергії 2eU випромінюється у вигляді кванта світла - фотона. Частота n 0 цього кванта визначається законом збереження енергії:
h n 0=2eU.
Це явище називається нестаціонарним ефектом Джозефсона.
Якщо навпаки, опромінювати джозефсонівських перехід випромінювання частотою n, то при збігу цієї частоти з характерною для даної напруги U частотою n 0, виникає резонансна взаємодія. Такий же резонанс настає при n 0=n/n, де n - будь-яке ціле число, в результаті чого на вольт-амперної характеристиці переходу з'являються особливості (рис. 11) у вигляді сходинок при напружених
Малюнок 11 - Вольтамперная характеристика Джозефсоновских переходу
Заряд електрона е є такою ж фундаментальною фізичною константою, як і згадувані вище h, c, g. Величина h/2е, звана квантом магнітного потоку, значення якої визначається з більшою точністю, ніж значення h і е окремо. Оскільки частота в даний час є найбільш точно вимірюваноївеличиною, точність відтворення напруги за допомогою ефекту Джозефсона обмежується точністю значення h/2е. Стандартне відхилення при відтворенні вольта складає в даний час 5. 10 - 9.
На підставі ефекту Джозефсона виконані еталони одиниць напруги - вольта у всіх промислово розвинених країн з початку 1980 У склад еталона зазвичай входить дискретний перехід, порушуваний СВЧ- випромінюванням на частоті 8 ... 10 ГГц, Значення квантованного напруги становить при цьому 4 ... 10 мВ. Настільки низьке значення відтвореного напруги змушує включати до складу еталона масштабні перетворювачі напруги різної конструкції і нормальні елементи, що призводять до втрати точності. У зв'язку з цим, в самий останній час були створені інтегральні схеми, що включають в себе близько 1000 переходів Джозефсона і дозволяють відтворювати напруга безпосередньо в 1 В і вище.
З загальнофізичних міркувань і проведених експериментів випливає, що стабільність еталонів на основі ефекту Джозефсона може досягати 10 +16, що відкриває широкі перспективи для вдосконалення природного еталона вольта.
13. Еталон ома на основі квантового ефекту Холла
Квантовий ефект Холла був відкритий в 1980 р Фон-Клітцинг. Суть його полягає в тому, що в спеціальних структурах типу метал-діелектрик-напівпровідник (рис 1.13) при температурі рідкого гелію і в сильному магнітному полі електричний опір приймає строго фіксовані дискретні значення
де m 0 - магнітна проникність вакууму;
- стала тонкої структури.
Якщо на металеву пластинку подається позитивна напруга U в, тоді частина електронів з кремнієвого напівпровідника Si підтягнеться до кордону діелектрика SiO 2 і виявиться укладеної в тонкому шарі - каналі, обмеженому на рис. 11 пунктиром, оскільки діелектрик для електронів непроникний, а назад в напівпровідник їм не дає повернутися тяжіння до металевої пластини.
Замкнені в каналі товщиною d електрони, згідно з квантовою механікою, будуть займати найнижчий з можливих дискретних енергетичних рівнів, що відповідають руху поперек шару, а їх хвильові функції будуть розмазані по товщині каналу. Якщо подати напругу на електроди витік-стік raquo ;, то між ними потече струм I. Якщо, крім того, прикласти магнітне поле В перпендикулярно площині каналу, то електрони, згинаючи свої траєкторії в полі У почнуть скупчуватися біля бічних країв структур, поки що виникла різниця потенціалів між холлівських к...
