Физика 20 века: ключевые эксперименты - Тригг Дж.
Скачать (прямая ссылка):
работали в электротехнической фирме "Сименс", а также Хольмом совместно с
Вальтером Мейснером, студенткой Мейснера Изольдой Дитрих и сыном Мейснера
Гансом. Однако количественные результаты этих работ были
1 См. также обсуждение более ранних теоретических представлений о
действии выпрямителей в гл. 9.
286
^Незанятые j
-* состояния
Термически 6оз5ужденше
'Шш 5==Ч- -У~ - электроны
Шя Занятые
состояния
Напряжение
Уровень ^/(Рерми
ге,
Рис. 14.1. "Зависимость плотности состояний от энергии и вольт-амперные
характеристики для трех случаев: оба металла в нормальном состоянии (а);
один металл в нормальном состоянии, а другой в сверхпроводящем (б); оба
металла в сверхпроводящем состоя* -Hf нии (е)".
Диаграммы приведены для случая температур, отличных от нуля, поэтому над
уровнем Ферми (штриховая линия) имеется некоторое количество термически
возбужденных электронов \phys. Rev., 122 (1961), стр. 1104, рис. 4].
ненадежны, так как контакты в основном представляли Собой просто
скрещенные проволочки, прижатые друг к другу пружиной или грузом, и
характер контактных поверхностей и образовавшихся на них пленок не был
известен. Живер вместе со своим коллегой Джоном С. Фишером впервые
применили способ напыления на подложку полоски металла, создания на ее
поверхности окисной пленки и затем напыления второй металлической полоски
поперек первой. Таким путем они смогли не только получить вполне надежные
результаты, но и убедительно доказать, что ток, протекающий через окис-
ную пленку, действительно является туннельным.
Как уже упоминалось, именно во время этой работы Живер познакомился с
теорией БКШ и понял, что энергетическая щель, о которой говорилось в этой
теории, может влиять на туннельный ток. В цитированной уже статье Живера
и Мегерле прекрасно изложены основные принципы и рассмотрены
экспериментальные методы, использовавшиеся при изучении туннельного
эффекта.
"На рис. [14 1. а] представлена простая модель из двух металлов,
разделенных тонкой диэлектрической пленкой; эта пленка изображена как
потенциальный барьер На рис. [14.1,6] показан случай, когда один из
металлов находится в сверхпроводящем состоянии. Заметим, что электронная
плотность состояний в этом случае изменилась так, как постулировали
Бардин, Купер и Шриффер- образовалась энергетическая щель, симметричная
относительно уровня Ферми. На рис. [14 1, в] оба металла находятся в
сверхпроводящем состоянии
...Качественно проанализируем эти три разных случая .
Вероятность прохождения квантовой частицы через потенциальный барьер
зависит экспоненциально от его ширины и как корень квадратный от высоты
*. Ни ширина, ни высота барьера не изменяются сколько-нибудь заметным
образом при приложении небольшого напряжения между двумя металлами2. В
этом случае
1 Имеется в виду зависимость от высоты барьера показателя экспоненты. -
Прим ред
2 При этом изменяется относительное расположение распределений электронов
по энергиям по обе стороны барьера. Если приложена разность потенциалов
V, то энергия всех электронов со сто-
288
f[pHC. 14.1, а] с увеличением приложенного напряжения пропорционально ему
увеличивается число электронов, способных перемещаться, а следовательно,
возрастает ток. Влияние температуры должно быть очень мало, так как по
обе стороны барьера находятся металлы в нормальном состоянии с одинаковым
распределением электронов, и к тому же величина kT много меньше высоты
барьера.
Если же один из металлов находится в сверхпрове* дящем состоянии,
ситуация резко меняется. При абсолютном нуле температуры ток не может
протекать через барьер до тех пор, пока приложенное напряжение не будет
соответствовать половине энергетической щели. Если предположить, что ток
пропорционален плотности состояний, то он должен вначале быстро
возрастать с напряжением, а затем асимптотически приближаться к вольт-
амперной характеристике, имеющей место, когда оба металла находятся в
нормальном состоянии. При температуре, отличной от нуля, даже при самых
малых напряжениях через барьер будет протекать небольшой ток. Но так как
распределение электронов по разные стороны барьера в данном случае
различно, ток должен сильно зависеть от температуры.
И наконец, когда оба металла находятся в сверхпроводящем состоянии,
опять-таки возникает совершенно иная картина. При абсолютном нуле
температуры ток не может протекать до тех пор, пока приложенное
напряжение не будет соответствовать полусумме двух энергетических щелей.
При конечной (т. е. отличной от нуля) температуре ток также будет
протекать и при самых малых напряжениях, возрастая с напряжением до тех
пор пока оно не станет приблизительно эквивалентно полуразности двух
энергетических щелей. При дальнейшем увеличении напряжения число
электронов, доторые могли бы туннелировать, остается постоянным; йо так
как они переходят в область с меньшей плотностью состояний, ток будет в
действительности уменьшаться с ростом напряжения. Наконец, когда
