조셉슨 효과(Josephson effect)

[뽀야]

조셉슨 효과( Josephson effect)란 초전도체와 초전도체 사이에 전류가 흐르지 못하는 부도체를 끼워넣어도 전류가 흐르는 현상을 말한다. 2개의 초전도체는 비전도 장벽으로 연결(Josephson Junction, 조지프슨 접합)되어 있으며, 이 장벽을 넘는 전류는 조셉슨 전류라고 불린다.

물리학에서 조셉슨 효과는 두 개의 초전도체가 근접하게 배치되고 그 사이에 약간의 장벽이나 제한이 있을 때 발생하는 현상입니다.

이 효과는 1962년 이전의 실험에서 이미 관측되었으나 그 메커니즘 및 의의는 1962년 이전에는 알려지지 않았다.

영국의 물리학자인 브라이언 데이비드 조셉슨은  1973년 노벨 물리학상을 수상하였다

이것은 양자 역학의 효과가 원자 규모가 아닌 일반적인 규모에서 관찰 가능한 거시적 양자현상의 한 예입니다.

거시적 양자 현상은 양자 효과가 널리 퍼진 원자규모가 아닌 거시적인 규모에서 양자거동을 보여주는 과정입니다.

거시적 양자 현상의 가장 잘 알려진 예는 초유동성과  초전도성입니다.

초유동성은 점도가 3인  유체의 특성이므로 운동에너지의 손실 없이 흐릅니다.

교반되면 초유체가 무한정 계속 회전하는소용돌이를 형성합니다.

초유동성은 헬륨의 두 동위원소(헬륨4 및 헬륨1)가 극저온으로 냉각되어 액화될 때 발생합니다.

헬륨 II 는 자신의 레벨을 찾기 위해 표면을 따라 "기어가며" 잠시 후 두 컨테이너의 레벨이 같아집니다.  Rollin 필름 은 또한 더 큰 용기의 내부를 덮습니다. 봉인되지 않았다면 헬륨 II는 살금살금 빠져나왔을 것입니다.

액체 헬륨은 초유체 단계에 있습니다. 얇고 보이지 않는 필름이 그릇의 내벽을 따라 올라가 바깥쪽으로 내려갑니다. 드롭이 형성됩니다. 아래의 액체 헬륨으로 떨어집니다. 이것은 액체가 초유체로 남아 있는 경우 컵이 비워질 때까지 반복됩니다.

그것은 또한 천체 물리학, 고에너지물리학 및 양자중력 이론에 존재한다고 이론화 된 다양한 다른 이국적인물질상태의 속성입니다.

초유동성 이론은 소련의 이론물리학자레프 란다우(Lev Landau) 와 이삭 칼라트니코프(Isaak Khalatnikov) 에 의해 개발되었다.

초 유동성은 종종  Bose-Einstein 응축 과 함께 발생하지만 두 현상 모두 다른 현상과 직접 관련이 없습니다.

모든 Bose-Einstein 응축수가 초유체로 간주될 수 있는 것은 아니며 모든 초유체가 Bose-Einstein 응축물인 것은 아닙니다.

초전도성은 전기저항이 사라지고 자기장이 재료에서 방출되는 특정 재료에서 관찰되는 일련의 물리적 특성입니다.

이러한 특성을 나타내는 모든 물질은 초전도체입니다.

온도가 낮아짐에 따라 저항이 점차 감소하는 일반 금속 도체와 달리 초전도체는 저항이 급격히 1으로 떨어지는 특성적인 임계 온도를 가지고 있습니다. 

초전도 선재의 루프를 통과하는전류는 전원 없이도 무한정 지속될 수 있습니다. 

자석 위로 공중에 떠 있는 고온 초전도체. 초전도체의 표면에 지속적인 전류가 흐르면서 자석의 자기장을 배제하는 역할을 합니다( 마이스너 효과 ). 이 전류는 자석을 밀어내는 전자석을 효과적으로 형성합니다.

초전도 현상은 1911년 네덜란드 물리학자Heike Kamerlingh Onnes 에 의해 발견되었습니다.

강자성 및 원자 스펙트럼선과 마찬가지로 초전도는 양자역학에 의해서만 설명될 수 있는 현상입니다.

이것은 초전도 상태로 전환하는 동안 초전도체 내부의 자기장을 완전히 상쇄하는 마이스너 효과(Meissner effect) 가 특징입니다.

이 현상은 물질이 초전도 상태로 전이되면서 물질의 내부에 침투해 있던  자기장이 외부로 밀려나는 현상이다. 따라서 내부에 외부 자기장을 완벽히 상쇄하는 자기장이 발생하는 것과 같으므로 완전 반자성과 같다. 1933년에 발터 마이스너(Walther Meissner)에 의해 발견되었다.
그러나 마이스너 효과는 완전 반자성과는 조금 다른 점이 있다. 초전도체가 되기 전 걸려있던 자기장이라도 초전도체가 되면 밖으로 밀어내는 것이 완전 반자성과 구분되는 점이다. 완전도체(perfect conductor)는 일반도체에서 완전도체가 되는 상전이에서 일반도체 상태에 걸려있던 자기장을 밀어내진 않는다. 다만 완전도체가 된 이후의 자기장 변화에 대해서는 완전 반자성을 보여 완전도체 내부의 자기장은 변화하지 않는다. 따라서 마이스너 효과는 초전도체와 완전도체를 구분짓는다고도 할 수 있다.

마이스너 효과의 발생은 초전도가 단순히 고전 물리학  에서 완벽한 전도성의 이상화로 이해 될 수 없음을 나타냅니다.

1986 년에 일부  컵 레이트 페 로브 스카이 트 세라믹 재료의 임계 온도가 90K (-183 ° C) 이상이라는 것이 발견되었습니다. 

 이러한 높은 전이 온도는 이론적으로 기존 초전도체로는 불가능하므로 재료를 고온초전도체라고 합니다. 저렴하게 구할 수 있는 냉각수 액화 질소는 77K(-196°C)에서 끓기 때문에 이보다 높은 온도에서 초전도성이 존재하기 때문에 저온에서는 실용적이지 않은 많은 실험과 응용이 용이합니다.

또 다른 예로는  양자 홀 효과 와 위상순서( 토폴로지 순서)가 있습니다.

양자 홀 효과(또는 정수 양자 홀 효과)는 저온 및 강한 자기장에 노출된 2차원 전자 시스템에서 관찰되는 홀 효과의 양자화된 버전이며, 여기서 홀 저항 Rxy는 양자화된 값을 취하는 단계를 나타냅니다

양자 홀 효과는 22차원 전자 시스템에서 관찰되는 것 외에도 광자에서 관찰할 수 있습니다. 광자는 고유한 전하를 가지고 있지 않지만 개별 광학 공진기 및 결합 위상 또는 현장 위상의 조작을 통해 인공 자기장을 생성할 수 있습니다.

이 과정은 여러 거울 사이에서 반사되는 광자의 은유를 통해 표현할 수 있습니다. 여러 거울을 가로질러 빛을 쏘면 광자가 라우팅되고 각운동량에 비례하는 추가 위상을 얻습니다. 이것은 자기장에 있는 것과 같은 효과를 만듭니다.

위상 순서 ( 토폴로지 순서) 는 물질의 영온 위상(양자 물질이라고도 함)의 일종의 순서입니다.

거시적으로 위상 순서는 강력한 기저 상태 퇴화와 퇴화한 기저 상태의 양자화된 비아벨 기하학적 단계에 의해 정의되고 설명됩니다.

원자로 구성된 물질은 다른 특성을 가질 수 있으며 고체, 액체, 초유체 등과 같은 다양한 형태로 나타날 수 있습니다.

이러한 다양한 형태의 물질을 종종 물질상태 또는  위상이라고 합니다.

응축 물질물리학 원리에 따르면, 물질의 다른 특성은 일반적으로 원자가 물질에서 조직되는 다양한 방식에서 발생합니다.

원자 (또는 다른 입자)의 다른 조직은 공식적으로 물질의 순서라고합니다.

원자는 다양한 방식으로 조직화할 수 있으며, 이는 다양한 주문과 다양한 유형의 재료로 이어집니다.

란다우 대칭파괴이론은 이러한 다양한 차수에 대한 일반적인 이해를 제공한다.

그것은 다른 순서가 실제로 구성 원자 조직의 다른 대칭에 해당한다는 것을 지적합니다.

물질이 한 차에서 다른 차수로 변할 때(즉, 물질이 상전이를 겪을 때) 일어나는 일은 원자 조직의 대칭이 변한다는 것입니다.

예를 들어, 원자는 액체에 무작위로 분포하므로 액체는 원자를 임의의 거리만큼 대체하는 것과 동일하게 유지됩니다.

우리는 액체가 연속적인 번역 대칭을 가지고 있다고 말합니다.

상전이 후 액체는 결정으로 변할 수 있습니다. 결정에서 원자는 규칙적인 배열(격자)로 구성됩니다.

격자는 특정 거리(정수 곱하기 격자상수)만큼 변위할 때만 변하지 않으므로 결정은 이산 평행 대칭만 갖습니다.

액체와 결정 사이의 상전이는 액체의 연속 번역 대칭을 결정의 이산 대칭으로 감소시키는 전이입니다.

이러한 대칭의 변화를 대칭 파괴라고 합니다.

따라서 액체와 결정의 차이의 본질은 원자 조직이 두 단계에서 서로 다른 대칭을 갖는다는 것입니다.

란다우 대칭 파괴이론은 매우 성공적인 이론이었다.

오랫동안 물리학 자들은 Landau 이론이 물질의 모든 가능한 순서와 가능한 모든 (연속적인) 상 전이를 설명했다고 믿었습니다.

그러나 1980년대 후반 이후, 란다우 대칭 파괴 이론이 가능한 모든 질서를 설명하지 못할 수도 있다는 것이 점차 명백해졌다.

고온초전도성을 설명하기 위한 시도로 키랄 스핀 상태가 도입되었습니다.

 처음에 물리학자들은 여전히 키랄 스핀 상태를 설명하기 위해 란다우 대칭 파괴 이론을 사용하기를 원했습니다.

그들은 키랄 스핀 상태를 시간 반전과 패리티 대칭을 깨는 상태로 식별했지만 스핀 회전 대칭은 깨뜨리지 않았습니다.

이것은 Landau의 대칭 파괴 주문 설명에 따라 이야기의 끝이어야 합니다.

그러나, 정확히 동일한 대칭성을 갖는 많은 상이한 키랄 스핀 상태가 존재한다는 것을 재빨리 깨달았으며, 따라서 대칭만으로는 상이한 키랄 스핀 상태를 특성화하기에 충분하지 않았다.

이것은 키랄 스핀 상태가 일반적인 대칭 설명을 넘어서는 새로운 종류의 순서를 포함한다는 것을 의미합니다.

 제안된 새로운 종류의 질서는 "위상 질서"로 명명되었습니다. 

 "위상 순서"라는 이름은 위상 양자장 이론(TQFT)인 키랄 스핀 상태의 저에너지 유효 이론에 의해 동기가 부여되었습니다. 

2000 년 이래로 양자 가스, 특히 보스-아인슈타인 응축 물에 대한 광범위한 실험 작업이있었습니다.

1996 년과 2016 년 사이에 거시적 양자 현상과 관련된 연구로 1 개의 노벨상이 수여되었습니다. 

거시적 양자 현상은  초유체 헬륨과 초전도체 에서 관찰할 수 있지만 희석된 양자 가스, 폴라리톤과 같은 광자 및 레이저 광에서도 관찰할 수 있습니다.

이러한 매체는 매우 다르지만 거시적 양자 거동을 보여준다는 점에서 모두 유사하며, 이 점에서 모두 양자유체라고 할 수 있습니다.

양자 현상은 일반적으로 양자 상태가 많은 수의 입자 (아보가드로 순서)에 의해 점유되거나 관련된 양자 상태가 거시적 크기 ( 초전도 선재에서 최대 킬로미터 크기) 일 때 거시적 인 것으로 분류됩니다

조셉슨 효과는 전압 및 주파수와 같은 다양한 물리적 측정값 간의 정확한 관계를 나타내어 매우 정확한 측정을 용이하게 하기 때문에 많은 실용적인 응용 분야가 있습니다.

조셉슨 효과는 조셉슨 접합(JJ)으로 알려진 장치를 가로질러 전압이 가해지지 않고 연속적으로 흐르는 초전류로 알려진 전류를 생성합니다.

이들은 약한 링크로 결합 된 두 개 이상의 초전도체로 구성됩니다. 약한 링크는 얇은 절연 장벽(초전도체- 절연체-초전도체 접합 또는 SIS로 알려짐), 비초전도 금속(SNS)의 짧은 부분 또는 접촉점(SCS)에서 초전도성을 약화시키는 물리적 수축일 수 있습니다.

Josephson 접합은 SQUID, 초전도 큐비트및  RSFQ  디지털 전자 장치와 같은 양자역학회로에서 중요한 응용 분야를 가지고 있습니다.

20V에 대한  NIST 표준은  직렬로 연결된 208,1개의 Josephson 접합 어레이에  의해 달성됩니다.

조셉슨 효과는 1962년 약한 고리를 가로지르는 전류와 전압에 대한 수학적 관계를 예측한 영국 물리학자 브라이언 조셉슨 의 이름을 따서 명명되었습니다.

DC 조셉슨 효과는 1962년 이전의 실험에서 나타났지만,초전도체 사이에서 전자의 직접적인 전도로 이어지는 절연 장벽의 "슈퍼 쇼트" 또는 위반에 기인합니다.

조셉슨의 효과의 발견을 주장하고 필요한 실험적 검사를 한 최초의 논문은  필립 앤더슨 과 존 로웰의 논문이었습니다.

 이 저자들은 결코 시행되지 않았지만 결코 도전받지 않은 효과에 대한 특허를 받았습니다. 

Josephson의 예측 이전에는 단일(즉, 쌍을 이루지 않은) 전자가   양자 터널링을   통해 절연 장벽을 통해 흐를 수 있다는 것만 알려져 있었습니다.

Josephson은 초전도  Cooper 쌍 의 터널링을 최초로 예측했습니다. 이 업적으로 조셉슨은 1973년 노벨 물리학상 수상했습니다.

Josephson 상수는 다음과 같이 정의됩니다.

CODATA 값단위

mag. flux quantum 2.067833848... e-15 (exact) Wb (55) 15,482,880

Josephson constant 483 597.8484... e9 (exact) Hz V^-1(69) 30,965,760

자속양자(Φ0)	2.067833848... ×10−15
조셉슨 상수 (케이제이(K0	483597.8484... ×10^9
케이제이-90	483597.9×10^9

이는 패러데이의 귀납 법칙과 매우 유사합니다.

그러나 이 전압은 초전도체에 자기장이 없기 때문에 자기 에너지에서 나오지 않습니다.

대신, 이 전압은 캐리어(즉, 쿠퍼 쌍)의 운동 에너지에서 비롯됩니다. 이 현상을 운동 인덕턴스라고도 합니다.