Effet Josephson

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En physique, l’effet Josephson se manifeste par l'apparition d'un courant entre deux matériaux supraconducteurs séparés par une couche faite d'un matériau isolant ou métallique non-supraconducteur. Dans le premier cas, on parle de « jonction Josephson S-I-S » (supraconducteur-isolant-supraconducteur) et dans le second de « jonction S-M-S ». On distingue de plus deux types d'effet Josephson Barone A, Paterno G. Physics and Applications of the Josephson Effect.
Effet Josephson

En physique, l’effet Josephson se manifeste par l'apparition d'un courant entre deux matériaux supraconducteurs séparés par une couche faite d'un matériau isolant ou métallique non-supraconducteur. Dans le premier cas, on parle de « jonction Josephson S-I-S » (supraconducteur-isolant-supraconducteur) et dans le second de « jonction S-M-S ». On distingue de plus deux types d'effet Josephson Barone A, Paterno G. Physics and Applications of the Josephson Effect. New York: John Wiley & Sons; 1982., l'effet Josephson « continu » (D.C. Josephson effect en anglais) et l'effet Josephson « alternatif » (A.C. Josephson effect). Ces deux effets ont été prédits par Brian David Josephson en 1962 à partir de la théorie BCS. Ces travaux lui ont valu le prix Nobel de physique en 1973, avec Leo Esaki et Ivar Giaever. Bien que les paires de Cooper ne puissent pas exister dans un isolant ou un métal non-supraconducteur, si la couche qui sépare les deux supraconducteurs est suffisamment mince, elles peuvent la traverser par effet tunnel et garder leur cohérence de phase. C'est la persistance de cette cohérence de phase qui donne lieu à l'effet Josephson.

Effet Josephson alternatif

À cause de l'effet tunnel des paires de Cooper, le courant supraconducteur à travers la barrière séparant les supraconducteurs est : : I_s=I_c \sin (\phi_1-\phi_2) \, où Ic est un courant caractéristique de la jonction et \phi_ sont les phases supraconductrices des deux supraconducteurs. D'autre part, la phase supraconductrice étant canoniquement conjuguée avec le nombre de particules, elle obéit à l'équation du mouvement : : \hbar \fracd (\phi_1-\phi_2) = 2 e (V_1-V_2) \, où e est la charge de l'électron, et V1 - V2 est la différence de potentiel existant entre les deux supraconducteurs. Il en résulte que : : I(t)=I_c \sin \left(\frac\hbar (V_1 -V_2) t +\varphi_0\right) \, Autrement dit, l'application d'une différence de potentiel entraîne des oscillations du courant supraconducteur à une fréquence \frac (V_1-V_2). L'effet Josephson alternatif fournit ainsi un moyen de mesurer le rapport e/h.

Effet Josephson continu

L'effet Josephson continu s'obtient lorsqu'on applique un champ magnétique à une jonction Josephson. Le champ magnétique provoque un déphasage entre les paires de Cooper qui traversent la jonction d'une manière analogue à l'effet Aharonov-Bohm. Ce déphasage peut produire des interférences destructives entre les paires de Cooper, ce qui entraîne une réduction du courant maximal pouvant traverser la jonction. Si \Phi est le flux magnétique à travers la jonction, on a la relation : : I_s^= I_c \frac\sin \frac\pi \Phi\Phi_0\frac\pi \Phi\Phi_0 \,

Les jonctions Josephson : un dispositif à hautes performances

Les jonctions Josephson, par leur propriétés physiques, constituent un dispositif de choix pour plusieurs domaines d'application :
- C'est le constituant élémentaire du SQUID (Superconducting Quantum Inteference Device), le plus fin détecteur de champ magnétique (et donc de courant). Un SQUID est constitué de 2 jonctions en parrallèles dans une boucle.
- C'est aussi le constituant de base de la logique rapide dite RSFQ (Rapid Single FLux Quantum) où elles jouent le rôle du transistor et autoriseraient des cadences en centaines de Ghz.
- C'est aussi un détecteurs de photons les plus performants. On parle alors de jonctions supraconductrices à effet tunnel (STJ en anglais). Ces dispositifs combinent une sensibilité ultime jusqu'aux photons uniques dans une large bande spectrale (des rayons X au proche infrarouge) avec une bonne résolution en énergie. ==
Sujets connexes
Anglais   Brian David Josephson   Champ magnétique   Charge électrique   Courant électrique   Effet Aharonov-Bohm   Effet tunnel   Fréquence   Infrarouge   Interférence   Isolant   Ivar Giaever   Leo Esaki   Métal   Métrologie   Oscillation   Physique   Prix Nobel de physique   Supraconductivité   Théorie BCS  
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