6.11 Supraconductivitatea și efectul Josephson

Acasă ／ Capitolul 6: Domeniul cuantic (V5.05)

I. Fenomene și întrebări esențiale

Când anumite metale sau ceramici sunt răcite suficient, rezistența electrică scade sub limita de detecție, iar un curent poate circula într-o buclă închisă ani la rând fără atenuare vizibilă. Câmpurile magnetice externe sunt împinse în afara volumului materialului; doar în condiții speciale pătrund ca tuburi de flux extrem de subțiri și cuantizate. Dacă între doi supraconductori se introduce un strat izolator ultrafin, apare un curent stabil fără aplicarea unei tensiuni; sub excitație radiofrecvență (RF), tensiunea se blochează în trepte bine definite.

Aceste trăsături definesc supraconductivitatea și efectul Josephson: rezistență nulă, diamagnetism perfect (sau pătrundere prin flux cuantizat), supercurent la tensiune zero și „trepte” de tensiune induse de RF. Întrebările sunt: de ce dispare brusc „frecarea” electrică la răcire? De ce câmpul magnetic pătrunde doar ca tuburi subțiri cu „cotă fixă”? Cum traversează curentul un izolator și de ce blochează microundele răspunsul în trepte regulate?

II. Interpretare conform Teoriei Filamentelor de Energie (EFT): perechi de electroni blocate în fază, închiderea canalelor de disipare și „ștafetă” coerentă peste bariere

1. Mai întâi împerecherea, apoi „coaserea” fazelor
   În Teoria Filamentelor de Energie (EFT), electronul este o înfășurare stabilă cu o singură buclă; stratul său exterior interacționează cu „marea de energie” și cu rețeaua cristalină. Pe măsură ce temperatura scade și vibrațiile rețelei se diminuează, în unele materiale se deschide un coridor de tensiune mai neted care permite electronilor să se urmeze; doi electroni cu sensuri opuse ale buclei formează o pereche. Împerecherea anulează sau reduce multe căi de pierdere a energiei. Răcirea continuată aliniază fazele straturilor exterioare ale numeroaselor perechi și întinde peste întregul eșantion o rețea co-fază—un „covor de fază” care se mișcă ca un tot.
2. De ce rezistență nulă: închiderea colectivă a canalelor de pierdere
   Rezistența obișnuită apare când curentul pierde energie în mediu prin nenumărate canale fine—impurități, fononi, muchii rugoase etc. Odată întins covorul de fază, „cute” locale care ar rupe coerența se formează greu, iar pragul pentru disipare crește abrupt. Atâta timp cât solicitarea nu rupe covorul, curentul nu scurge energie, rezultând rezistență nulă.
3. De ce diamagnetism și cuantizarea fluxului: faza nu acceptă torsiuni arbitrare
   Pentru a rămâne neted în interior, covorul de fază se opune torsiunii magnetice. La suprafață apar curenți de întoarcere care împing câmpul spre exterior (diamagnetism perfect). În unele materiale, câmpul este admis ca filamente subțiri; fiecare corespunde unei înconjurări a fazei de un număr întreg de ori—aceasta este cuantizarea fluxului. Filamentele pot fi privite ca „miezuri goale de filament tensionat” în jurul cărora faza se înfășoară; ele se resping și se pot aranja în modele geometrice.
4. De ce supercurent Josephson: ștafetă coerentă peste un spațiu îngust
   Așezați două „covoare de fază” separate de un izolator ultrafin sau o punte metalică slabă. Zona mediană este aproape critică—nu pe deplin coerentă, dar foarte aproape. În această „fâșie de ușă” îngustă, fazele perechilor se pot transfera coerent: nu prin izbitura unei singure particule, ci „coasând” un pod scurt de fază peste gol.

• Când „ritmul” de ambele părți coincide, podul transportă stabil faza: curge supercurent fără tensiune (Josephson în curent continuu).
• Când „ritmul” diferă—din cauza unei tensiuni aplicate sau a antrenării RF—diferența de fază variază uniform sau se blochează pe ritmul extern; podul pompează supercurent în tempo-uri fixe, rezultând comportament de curent alternativ și trepte blocate în frecvență.

5. De ce nu este mereu ideal: defecte și rupturi care redeschid pierderile
   Un curent prea mare, un câmp prea puternic, temperatura în creștere sau defecte care fixează faza pun în mișcare vortexuri cuantizate. Pe măsură ce vortexurile se târăsc, covorul se rupe în lanțuri de mici orificii prin care energia scapă. Apar astfel curentul critic, vârfuri de pierderi și răspuns neliniar.

III. Situații tipice

1. Două familii de supraconductori:

• Una respinge aproape tot câmpul și cade brusc din starea supraconductoare după depășirea unui prag.
• Cealaltă permite intrarea fluxului ca tuburi subțiri; în câmpuri puternice se formează rețele de vortexuri care totuși transportă curent. Diferența reflectă câtă torsiune magnetică tolerează covorul de fază.

2. Inel supraconductor și curent persistent:
   Într-o buclă închisă, înconjurarea fazei trebuie să fie un număr întreg; cât timp covorul nu se rupe, curentul persistă foarte mult. Dacă fluxul închis nu este un multiplu întreg, sistemul sare în cea mai apropiată stare întreagă, vizibilă ca niveluri stabile discrete.
3. Jonctiuni tunel și cuplaje slabe:
   Într-o fantă ultrafina, supercurentul poate curge fără tensiune; sub RF apar trepte de tensiune, semn că diferența de fază se blochează pe ritmul extern.
4. Buclă paralelă: interferometru:
   Două poduri de fază care formează o buclă mică experimentează, sub flux extern, decalaje de fază diferite. Supercurentul oscilează periodic cu fluxul și funcționează ca un fluxmetru extrem de sensibil.

IV. „Amprente” observabile

• Cădere bruscă la rezistență zero: sub o temperatură caracteristică, rezistența se prăbușește.
• Diamagnetism perfect sau rețele de tuburi de flux: câmpul este respins, ori pătrunde ca tuburi subțiri în modele regulate.
• Supercurent fără tensiune și curent critic: curentul curge spontan până la o limită, apoi cedează.
• Trepte sub RF: cu RF, tensiunea se blochează în trepte, confirmând blocarea în ritm a diferenței de fază.
• Periodicitate de interferență constantă: în bucle mici, curentul oscilează cu perioadă constantă în funcție de flux.
• Fixarea și alunecarea vortexurilor: defectele pot reduce pierderile dar crește curentul critic; când vortexurile alunecă, apar vârfuri de pierderi.

V. Alăturarea față de descrierea consacrată (fizica este aceeași)

• Descrierea consacrată modelează condensarea perechilor de electroni printr-un parametru de ordin macroscopic (amplitudine complexă cu fază). Rezistența nulă rezultă din curgere de fază fără disipare; diamagnetismul din tendința fazei de a se opune torsiunii; cuantizarea fluxului și vortexurile din cerința ocolirii întregi.
• Teoria Filamentelor de Energie redă aceeași schemă într-un limbaj mai „material”: perechi de electroni ca bucle cuplate; covorul de fază ca rețea co-fază la scara probelor; rezistența nulă ca închidere colectivă a canalelor de disipare; cuantizarea fluxului ca defect topologic în jurul unui miez gol de filament tensionat; comportamentul Josephson ca pod scurt de fază peste o fantă aproape critică. Legile cantitative și fenomenele coincid; diferă doar narațiunea care ancorează geometria în povestea „filamentelor și a mării”.

VI. Pe scurt

Supraconductivitatea nu înseamnă că electronii „devin brusc perfecți”, ci că electronii se împerechează, fazele lor se blochează într-un singur covor comun, iar apoi se transferă coerent peste bariere:

• La solicitare ușoară, covorul închide căile de scurgere a energiei → rezistență nulă.
• Covorul se opune torsiunii arbitrare → respinge câmpul magnetic sau permite doar vortexuri cuantizate.
• Între două covoare, o fantă aproape critică poate fi podită cu un pod de fază care transportă supercurent fără tensiune și, sub ritm extern, gradează tensiunea într-o scară.

O frază de reținut: împerechere → blocare de fază → ștafetă coerentă peste barieră—întreaga „magie” a supraconductivității și a efectului Josephson izvorăște din acești trei pași.