Брайан Дэвид Джозефсон —английский физик, лауреат Нобелевской премии по физике 1973 года

Волгоградский государственный социально-педагогический университет

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат:

«Брайан Дэвид Джозефсон —английский физик, лауреат Нобелевской премии по физике 1973 года»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВГСПУ

2014

     

 

Брайан Дэвид Джозефсон  родился 4 января 1940 года в еврейской семье, в Кардиффе, в  Великобритании. В 1960 году оканчивает Тринити-колледж Кембриджского университета. С 1962 года работает младшим научным сотрудником колледжа. Б. Джозефсон в 1962 году на основе теории сверхпроводимости Бардина — Купера — Шриффера предсказал стационарный и нестационарный эффекты в контакте сверхпроводник-диэлектрик-сверхпроводник. Экспериментально стационарный эффект был подтвержден американскими физиками П. Андерсоном и Дж. Роуэллом в 1963 году.

В 1932 году немецкие физики В. Мейсснер и Р. Хольм показали, что сопротивление небольшого контакта между двумя металлами исчезает, когда оба металла переходят в сверхпроводящее состояние. Выходит, что один из эффектов Джозефсона наблюдался за тридцать лет до его предсказания.

Различают стационарный и нестационарный эффекты Джозефсона.

Стационарный эффект

При пропускании через контакт тока, величина которого не превышает критическую, падение напряжения на контакте отсутствует (несмотря на наличие слоя диэлектрика). Эффект этот вызван тем, что электроны проводимости проходят через диэлектрик без сопротивления за счёт туннельного эффекта. Нетривиальность эффекта состоит в том, что сверхпроводящий ток переносится коррелированными парами электронов (куперовскими парами) и, на первый взгляд, должен быть пропорционален квадрату туннельной прозрачности контакта и, ввиду чрезвычайной малости последней, практически ненаблюдаемым. В действительности туннелирование куперовской пары — специфический когерентный эффект, вероятность которого порядка вероятности туннелирования одиночного электрона, в связи с чем максимальная величина тока Джозефсона может достигать величины обычного туннельного тока через контакт при напряжении порядка щели в энергетическом спектре сверхпроводника. По современным представлениям, микроскопическим механизмом туннелирования куперовских пар является андреевское отражение квазичастиц, локализованных в потенциальной яме в области контакта.

Плотность тока   в квантовой механике дается формулой:  , где   — волновая функция с модулем   и фазой  . Плотность тока  . Все электроны в сверхпроводнике имеют одинаковую фазу. При образовании туннельного контакта из двух различных сверхпроводников через такой контакт безо всякого приложенного напряжения потечёт ток (ток Джозефсона), зависящий от разности фаз   и с плотностью  [2].

Нестационарный эффект

При пропускании через контакт тока, величина которого превышает критическую, на контакте возникает падение напряжения  , и контакт при этом начинает излучать электромагнитные волны. При этом частота такого излучения определяется как  , где   — заряд электрона,   — постоянная Планка.

Возникновение излучения связано с тем, что объединённые в пары электроны, создающие сверхпроводящий ток, при переходе через контакт приобретают избыточную по отношению к основному состоянию сверхпроводника энергию  . Единственная возможность для пары электронов вернуться в основное состояние — это излучить квант электромагнитной энергии  .

Применение эффекта

Используя нестационарный эффект Джозефсона, можно измерять напряжение с очень высокой точностью.

Эффект Джозефсона используется в сверхпроводящих интерферометрах, содержащих два параллельных контакта Джозефсона. При этом сверхпроводящие токи, проходящие через контакт, могут интерферировать. Оказывается, что критический ток для такого соединения чрезвычайно сильно зависит от внешнего магнитного поля, что позволяет использовать устройство для очень точного измерения магнитных полей.

Если в переходе Джозефсона поддерживать постоянное напряжение, то в нём возникнут высокочастотные колебания. Этот эффект, называемый джозефсоновской генерацией, впервые наблюдали И. К. Янсон, В. М. Свистунов и И. М. Дмитренко. Возможен, конечно, и обратный процесс — джозефсоновское поглощение. Таким образом, джозефсоновский контакт можно использовать как генератор электромагнитных волн или как приёмник (эти генераторы и приёмники могут работать в диапазонах частот, недостижимых другими методами).

В длинном джозефсоновском переходе (ДДП) вдоль перехода может двигаться солитон (Джозефсоновский вихрь), перенося квант магнитного потока. Существуют и многосолитонные состояния, переносящие целое число квантов потока. Их движения описываются нелинейным уравнением синус-Гордона. Такой джозефсоновский солитон подобен солитону Френкеля (число квантов потока сохраняется). Если изолирующий слой сделать неоднородным, то солитоны будут «цепляться» за неоднородности, и, чтобы сдвинуть их, придётся приложить достаточно большое внешнее напряжение. Таким образом, солитоны можно накапливать и пересылать вдоль перехода: естественно было бы попытаться использовать их для записи и передачи информации в системе большого числа связанных между собой ДДП (квантовый компьютер).

В конце 80-х годов в Японии был создан экспериментальный процессор на эффекте Джозефсона. Хотя 4-разрядное АЛУ делало его неприменимым на практике, данное научное исследование было серьёзным экспериментом, открывающим перспективы на будущее.

Значение открытия эффекта Джозефсона в истории науки

Впервые в истории физики экспериментально обнаружена взаимосвязь явления макромира (электрический ток) и квантовомеханической величины (фаза волновой функции

Когда Джозефсону было всего 22 года, с 1962 года Джозефсон изучает свойства сверхпроводимости и теоретически предсказывает явление прохождения электронов через тонкий слой диэлектрика, помещённый между двумя сверхпроводящими металлами. Именно это явление приобретает название стационарного эффекта Джозефсона. Этот  эксперимент проведен в 1963 году. Эффект Джозефсона — явление протекания сверхпроводящего тока через тонкий слой диэлектрика, разделяющий два сверхпроводника. Такой ток называют джозефсоновским током, а такое соединение сверхпроводников — джозефсоновским контактом. В первоначальной работе Джозефсона предполагалось, что толщина диэлектрического слоя много меньше длины сверхпроводящей когерентности, но последующие исследования показали, что эффект сохраняется и на гораздо больших толщинах.

Джозефсон предположил также, что если к контакту приложить разность потенциалов, то через него пойдет осциллирующий ток с частотой, которая зависит только от величины приложенного напряжения. То приобрело название нестационарного эффекта Джозефсона. Оба эффекта очень чувствительны к магнитному полю в области контакта. Открытие эффектов Джозефсона оказало существенное влияние на современную физику. Они позволили уточнить величину постоянной Планка, способствовали созданию принципиально нового квантового стандарта напряжения, используемого ныне во многих национальных бюро стандартов. Они способствовали также конструированию сверхчувствительных датчиков магнитного поля (СКВИД), применяемых для измерения магнитных полей живых организмов и обнаружения объектов, скрытых под поверхностью. На основе эффектов Джозефсона были изготовлены чувствительные детекторы очень слабых измерений напряжения. В перспективе — применение быстродействующих компьютерных сетей с очень низким потреблением энергии, построенных на базе эффекта Джозефсона.

В последующие годы Джозефсон продолжал заниматься исследованиями сверхпроводимости и критических явлений, возникающих в системах вблизи точек перехода. С начала 1970-х годов проявил интерес к проблемам разума и интеллекта, занимался мистицизмом, медитацией и ментальной теорией, поддерживал исследования в области парапсихологии, холодного синтеза и гомеопатии.

В 1973 году Джозефсон получил половину Нобелевской премии «за теоретическое предсказание свойств тока, проходящего через туннельный барьер, в частности явлений, общеизвестных ныне под названием эффектов Джозефсона». Один из самых молодых нобелевских лауреатов в истории. Вторую половину премии получили Лео Эсаки и Айвор Джайевер «за экспериментальные открытия туннельных явлений в полупроводниках и сверхпроводниках».

Брайан Джозефсон удостоен премии «За успехи в науке» Американской исследовательской корпорации и медали Хьюза Лондонского королевского общества. Джозефсон — член Лондонского королевского общества и иностранный член американского Института инженеров по электротехнике и электронике, Американской академии наук и искусств.

В последующие годы Джозефсон продолжал заниматься исследованиями сверхпроводимости и критических явлений, возникающих в системах вблизи точек перехода. С начала 1970-х годов проявил интерес к проблемам разума и интеллекта, занимался мистицизмом, медитацией и ментальной теорией, поддерживал исследования в области парапсихологии, холодного синтеза и гомеопатии.

Джозефсон известен также своей верой в существование паранормальных явлений. По его словам, лозунгом учёного должно быть «никому не верь на слово» (nullius in verba), что означает, «если все учёные хором отрицают какую-либо идею, это не следует считать доказательством того, что идея абсурдна, скорее следует тщательно изучить все причины такого мнения и решить, насколько это мнение обосновано».

Джозефсон получил половину Нобелевской премии «за теоретическое предсказание свойств тока, проходящего через туннельный барьер, в частности явлений, общеизвестных ныне под названием эффектов Джозефсона». Один из самых молодых нобелевских лауреатов в истории. Вторую половину премии получили Лео Эсакии Айвор Джайевер «за экспериментальные открытия туннельных явлений в полупроводниках и сверхпроводниках».

Брайан Джозефсон удостоен премии «За успехи в науке» Американской исследовательской корпорации и медали Хьюза Лондонского королевского общества. Джозефсон — член Лондонского королевского общества и иностранный член американского Института инженеров по электротехнике и электронике, Американской академии наук и искусств.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Литература

• Лауреаты Нобелевской премии, энциклопедия. — М.: Прогресс, 1992. — Тт. 1—2.
• Краткая еврейская энциклопедия. — Иер., 1976—2005. — Тт. 1—11.
• Alan Symons. The jewish contriution to the 20-th century, Polo Publishing, London, 1997
• Большой энциклопедический словарь. — М.: БРЭ, 1997.
• Всемирный биографический энциклопедический словарь, Москва, БРЭ, 1998
• Фридман С. А. Евреи — лауреаты Нобелевской премии, Краткий биографический словарь. — М.: Дограф, 2000. — ISBN 5-93431-011-9.
• Джозефсон Б. Открытие туннельных сверхпроводящих токов. Нобелевская лекция

. // Успехи физических наук, том 116, выпуск 4, август 1975.

• Джозефсон Брайен Дейвид — статья из Электронной еврейской энциклопедии
• Храмов Ю. А. Джозефсон Брайан Дэйвид (Josephson Brian David) // Физики: Биографический справочник / Под ред. А. И. Ахиезера. — Изд. 2-е, испр. и дополн. — М.:Наука, 1983. — С. 103. — 400 с. — 200 000 экз. (в пер.)
• Лихарев К. К., Ульрих Б. Т. — Системы с джозефсоновскими контактами: основы теории. — М.: Изд-во МГУ, 1978. — 446 с.
• Кресин В. З. Сверхпроводимость и сверхтекучесть. — М.: Наука, 1978. — 187 с

 

 

 

 

 

Волгоградский государственный социально-педагогический университет

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат:

 

Эсаки Лео —

английский физик,

лауреат Нобелевской премии по физике 1973 года

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                    Выполнил: Юрченко Андрей,

студент 1 курса ФкиБЖ

                                                                            Преподаватель: доц. Глазов С.Ю.

 

 

 

 

 

 

 

ВГСПУ

2014

                                                                                     

                12 марта 1925 г. Нобелевская премия по физике, 1973 г. совместно с Айвором Джайевером и Брайаном Д. Джозефсоном 
 
             Японский физик Лео Эсаки родился в Осаке, в семье архитектора Соихиро Эсаки и Ниеко Ито Он учился в Токийском университете, по окончании которого в 1947 г. получил степень магистра наук. Проработав несколько лет в корпорации «Кобе Когио», в 1956 г. Э. перешел в корпорацию «Сони» в Токио, где возглавил небольшую исследовательскую группу. Одновременно он продолжал работу над диссертацией. 
 
                 Классическая физика утверждает, что в электрической цепи, разорванной барьером из изолятора, ток течь не будет Квантовая механика допускает несколько иную ситуацию если барьер достаточно узок, то электроны могут «туннелировать» сквозь него. Такое подбарьерное прохождение происходит потому, что положение электрона не может быть определено абсолютно точно и, следовательно, всегда существует некоторая вероятность того, что электрон появится по другую сторону барьера. Чем тоньше барьер, тем выше вероятность туннелирования. Хотя этот эффект был предсказан еще в начале 30-х гг., но и к середине 50-х гг. он еще не был доказан экспериментально. 
 
               Работая над докторской диссертацией, Эсаки решил попытаться проверить эффект туннелирования на полупроводниках силами своей исследовательской группы Полупроводниками называются такие материалы, как кремний и германий Число носителей тока в них относительно мало, и в определенных пределах его можно регулировать, изменяя соответствующим образом концентрацию примесей. 
 
               Эсаки и его коллеги работали с соединенными диодами, в которых соседние зоны в полупроводнике легировались электрически активными примесями противоположной полярности. Диод свободно проводит ток в одном направлении, а соединение представляет собой барьер, не пропускающий его в противоположном. Барьер образуется, когда содержание носителей заряда вблизи перехода обедняется. При увеличении концентрации примесей ширина обедненной области уменьшается. Группе Эсаки удалось создать диоды с очень высокими концентрациями примесей. Тем самым были созданы диоды с необычайно узкими переходами и высокой вероятностью туннелирования Эсаки показал, что электрические характеристики таких диодов согласуются с представлениями квантовой механики. 
 
                     Исследуя свойства таких диодов, Эсаки обнаружил, что у некоторых из них вольт-амперная характеристика (зависимость тока от напряжения) выглядит «расплывчато». Если туннельные токи в диодах велики, сопротивление диодов становится отрицательным в ограниченном диапазоне изменений тока напряжение на диоде падает при увеличении тока (В обычном резисторе ток пропорционален напряжению). Цепь с таким отрицательным сопротивлением может порождать высокочастотные колебания. Эсаки разработал диоды с еще большей концентрацией примесей и значительно более высокими (по абсолютной величине) отрицательными сопротивлениями. Такие туннельные диоды (диоды Эсаки) с переходами шириной всего лишь в десять миллиардных метра (тридцать атомов) сразу же после создания их первых образцов в 1957 г. могли быть использованы для генерации и детектирования высокочастотных сигналов. Эффект туннелирования помог понять свойства и поведение полупроводников и сверхпроводников. Эсаки представил докторскую диссертацию о явлениях туннелирования в полупроводниках Токийскому университету и в 1959 г. получил ученую степень доктора наук. 
 
                   В следующем году он стал сотрудником исследовательских лабораторий корпорации «Интернейшнл бизнес машине» (ИБМ) в США, где занимался исследованиями по физике полупроводников. В 1965 г. Эсаки был произведен в члены ИБМ, т.е. достиг высшего положения в научной иерархии фирмы. Работая в ИБМ, он приступил к пионерским исследованиям полупроводниковых суперрешеток, т.е. сложных структур, получаемых при осаждении чрезвычайно тонких слоев различных полупроводников, образующих единую структуру, в одном кристалле. Как показали эксперименты, суперрешетки обладают такими физическими свойствами, что оказались идеальным средством для понимания эффектов в физике твердого тела. Они позволят создать быстродействующие компьютерные схемы с меньшим потреблением энергии, чем распространенные сейчас кремниевые. Специалисты считают, что в 90-е гг. суперрешеточные материалы станут наиболее важными компонентами быстродействующих компьютеров. 
 
            Эсаки получил Нобелевскую премию по физике в 1973 г. вместе с Айвором Джайевером «за экспериментальные открытия туннельных явлений в полупроводниках и сверхпроводниках». (Другую половину премии получил Брайан Д. Джозефсон также за работу по туннелированию). «В серии блестящих экспериментов и расчетов вы исследовали различные аспекты явлении туннелирования в твердых телах, – заявил, обращаясь к трем Нобелевским лауреатам, Стиг Лундквист из Шведской королевской академии наук. – Ваши открытия проложили дорогу в новые области исследования и позволили достичь более глубокого понимания поведения электронов в полупроводниках и сверхпроводниках, макроскопических квантовых явлений в сверхпроводниках». В своей речи Лундквист отметил также, что открытия Эсаки, Джайевера и Джозефсона тесно связаны между собой, так как «пионерские работы Эсаки послужили основой и непосредственным стимулом для открытия Джайевера, а работы Джайевера... привели к теоретическим предсказаниям Джозефсона». 
 
В ответной речи Эсаки сказал: «Брайан Джозефсон, Айвор Джайевер и я воспитаны в совершенно разных культурах... Мы некоторым образом символизируем то, что в физике, как и в других науках, не существует национальных или расовых границ...» «Фундаментальные знания о природе, – продолжал он, – одно из величайших сокровищ... и принадлежит оно всему человечеству... В нашем мире существует немало высоких барьеров – между нациями, расами и религиями. К сожалению, некоторые из них широки и прочны. Но я надеюсь, более того, я уверен, что мы найдем способ, позволяющий легко и свободно туннелировать сквозь такие барьеры, и сплотим мир в единое целое». 
 
Работая в США, Эсаки сохранил японское подданство. В 1959 г. он женился на Мисако Араки, у них родились две дочери и сын. 
 
Эсаки избран членом Японской академии, Американской академии наук и искусств, иностранным членом Национальной академии наук США. С 1967 г. Эсаки является директором ИБМ. Он удостоен почетных степеней японской школы Досида и Политехнического университета Мадрида. Он награжден премией Морриса Н. Либмана Института радиоинженеров (1961), медалью Стюарта Баллантайна Франклиновского института (1961) и японским орденом Культуры (1974).