6.11 Usuperkondakta na athari ya Josephson

Nyumbani ／ Sura ya 6: Eneo la kwanta (V5.05)

I. Matukio na maswali ya msingi

Baadhi ya metali au keramik zikipozwa sana, upinzani wa umeme hushuka hadi kiwango kisichopimika, na mkondo unaweza kuzunguka kwenye kitanzi kilichofungwa kwa miaka bila kudhoofika. Uga wa sumaku wa nje husukumwa nje ya nyenzo; ni katika hali maalum tu unapopenya kama mirija myembamba, iliyokwantisishwa ya mtiririko. Ukipachika safu nyembamba sana ya kizio kati ya wasuperkondakta wawili, hutokea mkondo thabiti hata bila kuweka volti; chini ya msisimko wa masafa ya redio (RF), volti hujifunga katika ngazi zilizo wazi.

Vipengele hivi ndivyo vinavyofafanua usuperkondakta na athari ya Josephson: upinzani sufuri, diamagneti kamili (au upenyezaji kupitia mtiririko uliokwantisishwa), supermkondo bila volti, na ngazi za volti zinazoletwa na RF. Maswali ni: kwa nini “msuguano” wa umeme hutoweka ghafla unapopozwa? Kwa nini uga wa sumaku huingia tu kama mirija myembamba yenye “mgawo maalum”? Mkondo hupitaje kwenye kizio, na kwa nini mawimbi ya microwave hufunga majibu kuwa ngazi sawia?

II. Ufafanuzi kwa mujibu wa Nadharia ya Nyuzi za Nishati (EFT): jozi za elektroni zilizounganishwa kwa awamu, kufungwa kwa njia za upotevu wa nishati na “kubebeshana kwa ulinganifu” kuvuka kizuizi

1. Kwanza kuoanisha, kisha “kushonea” awamu pamoja
   Katika Nadharia ya Nyuzi za Nishati (EFT), elektroni ni mviringo thabiti wa kitanzi kimoja; safu yake ya nje huingiliana na bahari ya nishati na na wavu wa kirstali. Joto linaposhuka na mtikisiko wa wavu kudhoofika, baadhi ya nyenzo hufungua korido laini ya mvutano ambamo elektroni hufuata moja nyingine; elektroni mbili zilizo na mwelekeo wa mviringo ulio kinyume huunda jozi. Uoanishaji huu hupunguza au kufuta njia nyingi za kutawanya nishati. Upozaji zaidi husawazisha awamu za safu za nje za jozi nyingi na kutandaza kwenye sampuli nzima mtandao wa awamu moja, kama “zulia la awamu” linalosogea kama kitu kimoja.
2. Kwa nini upinzani ni sufuri: kufungwa kwa pamoja kwa njia za upotevu
   Upinzani wa kawaida hutokea mkondo unapotoa mwangaza wa nishati kwa mazingira kupitia njia ndogo nyingi—uchafu, fononi, mipaka ya uso isiyo laini, na kadhalika. Zulia la awamu likiwa imara, ni vigumu kuunda “mikunjo” ya karibu inayovunja ulinganifu, hivyo kizingiti cha kutawanya nishati hupanda ghafla. Mradi msukumo haurarui zulia, mkondo haumwagii nishati nje, na hupimika kama upinzani sufuri.
3. Kwa nini diamagneti na ukwantisishaji wa mtiririko: awamu haikubali kupindishwa kiholela
   Ili ibaki laini ndani, awamu ya zulia hupinga kupindishwa na uga wa sumaku. Kwa hiyo, juu ya uso huzuka mikondo ya kurudi inayosukuma uga nje (diamagneti kamili). Katika nyenzo fulani, uga unaruhusiwa kupenya kama nyuzi nyembamba; kila mrija hulingana na kuzunguka kwa awamu mara idadi kamili—huu ndio ukwantisishaji wa mtiririko wa sumaku. Mirija hii ya mtiririko inaweza kuonekana kama “misingi tupu ya filamenti za mvutano” ambayo awamu huizunguka; hujihasimiana na kupanga miundo ya kijiometri.
4. Kwa nini kuna supermkondo wa Josephson: kubebeshana kwa ulinganifu kupitia ufa mwembamba
   Weka “mazulia ya awamu” mawili yakitenganishwa na kizio chembamba sana au daraja dhaifu la chuma. Eneo la kati huwa katika hali karibu na muhimu—halijawa na ulinganifu kamili, lakini liko karibu sana. Ndani ya “mwanya wa mlangoni” huu mwembamba, awamu za jozi zinaweza kupeana kwa ulinganifu: si chembe moja kupenya kwa nguvu, bali daraja fupi la awamu linaloshonwa kuvuka ufa.

• “Midundo” ikilingana pande zote, daraja hubeba awamu kwa uthabiti: hutiririka supermkondo bila volti (Josephson ya mkondo wa moja kwa moja).
• “Midundo” ikitofautiana—kwa sababu ya volti iliyowekwa au msisimko wa RF—tofauti ya awamu hubadilika kwa kasi thabiti au hufungwa kwenye midundo ya nje; daraja hupampu supermkondo kwa tembo zilizoainishwa, na kutoa mwenendo wa kubadilishana na ngazi zilizofungwa kwa masafa.

5. Kwa nini si kamilifu kila mara: hitilafu na mchaniko hufungua tena upotevu
   Mkondo mkubwa mno, uga wenye nguvu, joto kuongezeka, au hitilafu zinazopini awamu huanzisha vorteksi zilizokwantisishwa kusogea. Vorteksi zinapotamba, zulia hucharuka kuwa minyororo ya matundu madogo ambamo nishati hutoka. Matokeo yake ni mkondo muhimu, vilima vya upotevu, na mwitikio usio mstari.

III. Hali za kawaida

1. Familia mbili za wasuperkondakta:

• Moja husukuma karibu uga wote nje na huanguka ghafla kutoka hali ya usuperkondakta kizingiti kinapovukwa.
• Nyingine huruhusu mtiririko kuingia kama mirija myembamba; chini ya uga mkali hutokea rejewa za vorteksi ambazo bado hubeba mkondo. Tofauti huonyesha ni kiasi gani zulia la awamu hustahimili kupindishwa kwa sumaku.

2. Pete ya usuperkondakta na mkondo wa kudumu
   Katika kitanzi kilichofungwa, mzunguko wa awamu lazima uwe idadi kamili; mradi zulia halijachanika, mkondo hudumu kwa muda mrefu sana. Mtiririko uliofungwa ukikosa kuwa kigezo cha idadi kamili, mfumo huruka hadi hali ya karibu iliyo kamili, inayoonekana kama viwango thabiti vilivyotenganishwa.
3. Viungo vya tundu na viungo dhaifu
   Katika ufa mwembamba sana, supermkondo unaweza kutiririka bila volti; chini ya RF hujitokeza ngazi za volti, ishara kwamba tofauti ya awamu imefungwa kwenye dundo la nje.
4. Kitanzi sambamba: kifaa cha kuingiliana
   Madaraja mawili ya awamu yanapounda kitanzi kidogo, chini ya mtiririko wa nje hupata uahamisho wa awamu usio sawa. Hivyo supermkondo hupepea kwa vipindi dhidi ya mtiririko na hufanya kazi kama kipima-mtiririko chenye hisia kubwa sana.

IV. “Alama za vidole” zinazoonekana

• Mwanguko wa ghafla hadi upinzani sufuri: chini ya joto bainifu, upinzani huanguka kwa kasi.
• Diamagneti kamili au mitandao ya mirija ya mtiririko: uga husukumwa nje, au huingia kama mirija myembamba kwa miundo ya mara kwa mara.
• Supermkondo bila volti na mkondo muhimu: mkondo hutiririka wenyewe hadi kikomo, kisha huanguka.
• Ngazi chini ya RF: kwa RF, volti hujifunga kuwa ngazi, kuthibitisha kufungwa kwa midundo ya tofauti ya awamu.
• Utaratibu thabiti wa kuingiliana: katika pete ndogo, mkondo hupepea kwa kipindi kisichobadilika dhidi ya mtiririko.
• Upini na kutambaa kwa vorteksi: hitilafu zinaweza kupunguza upotevu lakini kuongeza mkondo muhimu; vorteksi zinapotambaa hujitokeza vilima vya upotevu.

V. Sambamba na maelezo yaliyokubalika (fizikia ni ile ile)

• Maelezo ya kawaida huonyesha uunganishaji wa jozi za elektroni kwa kigezo cha mpangilio wa makro (amplitudi changamano yenye awamu). Upinzani sufuri hutokana na mtiririko wa awamu usio na upotevu; diamagneti hutokana na mwelekeo wa awamu wa kupinga kupindishwa; ukwantisishaji wa mtiririko na vorteksi hutokana na sharti la mzunguko wa idadi kamili.
• Nadharia ya Nyuzi za Nishati hutoa picha hiyo hiyo kwa lugha inayogusika: jozi za elektroni ni mizunguko iliyounganishwa; zulia la awamu ni mtandao wa awamu moja kote kwenye sampuli; upinzani sufuri ni kufungwa kwa pamoja kwa njia za upotevu; ukwantisishaji wa mtiririko ni hitilafu ya topolojia kuzunguka kiini tupu cha filamenti ya mvutano; mwenendo wa Josephson ni daraja fupi la awamu juu ya ufa karibu muhimu. Sheria za kiasi na matukio zinakubaliana; kilicho tofauti ni simulizi linalounganisha jiometri na hadithi ya “nyuzi na bahari”.

VI. Kwa muhtasari

Usuperkondakta haumaanishi elektroni “kuwa kamilifu ghafla”, bali kuoanisha elektroni, kisha kufunga awamu zao kuwa zulia moja la pamoja, na baadaye kuzipitisha kwa ulinganifu kuvuka vizuizi:

• Kwa msukumo mdogo, zulia hufunga njia za kumwagika kwa nishati → upinzani sufuri.
• Zulia hupinga kupindishwa kiholela → husukuma uga wa sumaku nje au huruhusu tu vorteksi zilizokwantisishwa kuingia.
• Kati ya mazulia mawili, ufa karibu muhimu unaweza kujengewa daraja la awamu linalobeba supermkondo bila volti, na chini ya dundo la nje hutengeneza ngazi za volti.

Sentensi moja ya kukumbuka: kuoanisha → kufunga awamu → kubebeshana kwa ulinganifu kuvuka kizuizi—“uchawi” wote wa usuperkondakta na athari ya Josephson hutoka katika hatua hizi tatu.