Удивительная физика. Магия, из которой состоит мир

Что же это такое?

Джозефсоновский контакт устроен очень просто. Это всего лишь два близко расположенных сверхпроводника, между которыми имеется узкий зазор, не обладающий сверхпроводимостью. Но получается из этого нечто магическое. Когда это явление было открыто, в него – как в любую порядочную магию – мало кто мог поверить. Его предсказал в 1962 году двадцатидвухлетний теоретик Брайан Джозефсон. Ставший впоследствии двукратным нобелевским лауреатом Джон Бардин, которому принадлежит буква Б в аббревиатуре БКШ, публично отрицал правильность предсказания Джозефсона, но уже в течение года они были подтверждены экспериментально, а в 1973 году Джозефсон в свою очередь тоже получил Нобелевскую премию. Эффект этот заключается в следующем: если поместить два сверхпроводника друг рядом с другом, между ними спонтанно возникает электрический ток. Если приложить напряжение, ток начинает менять направление течения между двумя сверхпроводниками с частотой, пропорциональной этому напряжению.

Вспомним танцующих в ведьмином круге посреди пустыни, движения которых координируются с точностью до секунды по карманным часам. Представим себе, что поблизости есть еще один ведьмин круг, в котором танцуют такой же танец. Время от времени одна из пар, не переставая танцевать, пересекает промежуток между кругами, попадая из одного в другой. Уже одно это достаточно странно, так как этот танец не должен существовать вне круга. Но это не самое странное. Хотя в обоих кругах находится одинаковое количество танцующих и они танцуют один и тот же танец, в результате получается чистый отток из одного круга и чистый приток в другой. Как такое может быть, если танцы одинаковы? Разве между ними нет абсолютной симметрии?

Дело тут вот в чем. Все танцующие в каждом из кругов установили на своих часах одно и то же произвольно выбранное начальное время – одну и ту же фазу. После этого танцующие жестко поддерживают выбранную фазу. Однако, поскольку она выбирается случайным образом, эта коллективная фаза, вероятно, будет разной в разных кругах. Часы танцующих в одном круге были синхронизированы раньше, чем часы танцующих в другом, что нарушает симметрию между кругами.

Я объясню эту аналогию поподробнее. Если поместить два сверхпроводника на близком расстоянии друг от друга, куперовские пары будут время от времени перемещаться из одного в другой. Бардин не верил, что это возможно, потому что зазор между сверхпроводниками не обладает сверхпроводимостью; если куперовские пары возникают из коллективного поведения частиц в сверхпроводнике, как же они могут существовать вне его? Но куперовские пары не пересекают этот разрыв в танце: они преодолевают его благодаря квантовому туннельному эффекту. Между двумя сверхпроводниками спонтанно возникает сверхток, интенсивность которого зависит от сдвига фаз между сверхпроводниками. Классических аналогов этого процесса не существует. Однако если вы позволите мне использовать не вполне точную аналогию, я могу дать вам некоторое представление о том, как сдвиг фаз может приводить к появлению тока.

Представьте себе, что время от времени какая-нибудь пара танцующих оказывается за пределами своего круга, но каждый раз, когда они слышат в коллективном танце топанье, они возвращаются в круг. Оказавшись вблизи второго круга, танцующие могут услышать первым топанье, доносящееся из него; в таком случае они попадают внутрь этого круга. В сверхпроводниках все происходит совершенно не так, но эта картина отражает вероятностный характер процесса. Теперь предположим, что в одном круге случайным образом решили согласовать часы в момент, когда секундная стрелка указывала на 12 часов, а во втором, так же случайно, на одну секунду позже. Представим себе также, что одинаковые танцы обоих кругов предполагают топанье каждые десять секунд. Тогда для пары, находящейся между кругами, вероятность оказаться в круге, в котором топают на секунду раньше, будет в девять раз больше, чем вероятность оказаться в другом круге, из какого бы круга исходно ни происходила эта пара. Вот почему это так: в каждом десятисекундном промежутке есть девять секунд, в течение которых топанье раздается из первого круга, и только одна секунда, когда оно раздается из второго.