6.11 Supraledning og Josephson-effekten

Hjem ／ Kapitel 6: Kvantedomænet

I. Fænomener og nøglespørgsmål

Når visse metaller eller keramer køles tilstrækkeligt ned, falder den elektriske modstand under målegrænsen, og en strøm kan cirkulere i en lukket sløjfe i årevis uden mærkbar dæmpning. Eksterne magnetfelter fortrænges fra materialets indre; kun under særlige betingelser trænger de ind som ekstremt tynde, kvantiserede flukstuber. Lægges et ultratyndt isoleringslag mellem to supraledere, kan en stabil strøm løbe uden pålagt spænding; ved radiofrekvent (RF) påvirkning låses spændingen i tydelige trin.

Disse kendetegn definerer supraledning og Josephson-effekten: nulmodstand, perfekt diamagnetisme (eller indtrængning via kvantiseret fluks), superstrøm ved nul spænding samt RF-inducerede spændingstrin. Spørgsmålene er derfor: hvorfor forsvinder den elektriske “friktion” brat ved nedkøling? Hvorfor kan magnetfelt kun gå ind som tynde rør med “fast kvote”? Hvordan kan strøm krydse et isolatorlag, og hvorfor låser mikrobølger responsen i regelmæssige trin?

II. Fortolkning ifølge Energifilamentteorien (EFT): faselåste elektronpar, lukkede tabs­kanaler og koherent ”stafet” over barrierer

1. Først parring, dernæst ”syning” af faserne sammen
   I Energifilamentteorien (EFT) er elektronen en stabil enkel sløjfe, hvis ydre lag vekselvirker med “energi­havet” og krystalgitteret. Når temperaturen falder, og gittervibrationerne aftager, opstår i nogle materialer en glattere trækkorridor, som lader elektroner følge efter hinanden; to elektroner med modsat sløjferetning danner da et par. Parringsprocessen annullerer eller sænker mange energitabskanaler. Yderligere afkøling bringer faserne i mange pars yderlag på linje og udbreder et prøvedækkende samfase-netværk—tænk en fasemåtte, der bevæger sig som ét hele.
2. Hvorfor nulmodstand: kollektiv lukning af tabskanaler
   Almindelig modstand opstår, når strøm lækker energi til omgivelserne via utallige små veje—urenheder, fononer, ru grænser osv. Når fasemåtten ligger stramt, er lokale ”folder”, der bryder koherensen, svære at danne, og tærsklen for dissipation skyder i vejret. Så længe drivkraften ikke river måtten, lækker strømmen ikke energi, og man måler nulmodstand.
3. Hvorfor diamagnetisme og kvantisering af fluks: fasen lader sig ikke vilkårligt tviste
   For at forblive jævn indvendigt modsætter fasemåtten sig magnetisk vridning. Derfor opstår overfladestrømme, som presser feltet ud (perfekt diamagnetisme). I visse materialer tillades indtrængning som tynde filamenter; hvert filament svarer til, at fasen går rundt et helt antal gange—det er fluks­kvantisering. Filamenterne kan ses som “hule spændingsfilament-kerner”, som fasen slynger sig omkring; de frastøder hinanden og kan ordne sig i geometriske mønstre.
4. Hvorfor Josephson-superstrøm: koherent stafet over en smal spalte
   Placér to ”fasemåtter” adskilt af en ultratynd isolator eller en svag metalbro. Mellemzonen er nær-kritisk—endnu ikke fuldt koherent, men tæt på. I denne smalle ”dørspalte” kan parrenes faser overdrages koherent: ikke ved at én partikel bryder igennem, men ved at en kort fasebro ”sys” over hullet.

• Når ”takten” på begge sider matcher, transporterer broen fasen stabilt: der flyder superstrøm uden spænding (jævnstrøms-Josephson).
• Når ”takten” afviger—pga. pålagt spænding eller RF-drift—ændrer faseforskellen sig jævnt eller låses til den ydre rytme; broen pumper superstrøm i faste tempi og giver vekselstrømsadfærd samt frekvenslåste spændingstrin.

5. Hvorfor ikke altid ideelt: defekter og rifter genåbner tab
   For stor strøm, stærkt felt, højere temperatur eller defekter, der pinner fasen, sætter kvantiserede hvirvler i bevægelse. Når hvirvlerne kryber, rives måtten i kæder af små huller, hvor energi slipper ud. Resultatet er kritisk strøm, tabstoppe og ikke-lineær respons.

III. Typiske scenarier

1. To familier af supraledere:

• Den ene skubber næsten alt felt ud og falder samlet ud af supraledning, når en tærskel passeres.
• Den anden slipper fluks ind som tynde rør; ved stærke felter dannes hvirvlegitre, som stadig bærer strøm. Forskellen afspejler, hvor meget fasemåtten tolererer magnetisk vridning.

2. Supraledende ring og vedvarende strøm:
   I en lukket sløjfe skal faseomløbet være heltalligt; så længe måtten ikke rives, består strømmen meget længe. Er det indesluttede fluks ikke et heltalsmultipel, springer systemet til nærmeste heltalstilstand—synligt som diskrete stabile niveauer.
3. Tunnelkryds og svage koblinger:
   I en ultratynd spalte kan superstrøm flyde uden spænding; under RF ses spændingstrin, hvilket viser, at faseforskellen låses til den ydre rytme.
4. Parallel ring: interferometer:
   To fasebroer, der danner en lille ring, oplever under ydre fluks forskellige faseforskydninger. Superstrømmen oscillerer periodisk med fluksen og fungerer som en meget følsom fluksmåler.

IV. Observerbare ”fingeraftryk”

• Brat fald til nulmodstand: under en karakteristisk temperatur styrtdykker modstanden.
• Perfekt diamagnetisme eller gitre af flukstuber: felt fortrænges, eller trænger ind som tynde rør i regelmæssige mønstre.
• Superstrøm uden spænding og kritisk strøm: strøm løber spontant op til en grænse og bryder derefter sammen.
• RF-trin: med RF låses spændingen i trin, hvilket bekræfter rytmelåsning af faseforskellen.
• Konstant interferensperiodicitet: i små ringe oscillerer strømmen med konstant periode mod fluks.
• Hvirvel-pinning og krybning: defekter kan reducere tab men øge den kritiske strøm; når hvirvler kryber, opstår tabstoppe.

V. Side om side med den etablerede forklaring (fysikken er den samme)

• Den etablerede beskrivelse modellerer kondensation af elektronpar med en makroskopisk ordenparameter (kompleks amplitude med fase). Nulmodstand følger af tabsfri fasetransport; diamagnetisme af fasens modstand mod vridning; flukskvantisering og hvirvler af kravet om heltalsomløb.
• Energifilamentteorien gengiver det samme i mere ”materielle” termer: elektronpar er koblede sløjfer; fasemåtten er et samfase-netværk over hele prøven; nulmodstand er kollektiv lukning af tabskanaler; flukskvantisering er en topologisk defekt omkring en hul spændingsfilament-kerne; Josephson-adfærd er en kort fasebro over en nær-kritisk spalte. De kvantitative love og fænomener stemmer overens; forskellen ligger i fortællingen, som forankrer geometrien i billedet af “filamenter og hav”.

VI. Sammenfattende

Supraledning betyder ikke, at elektronerne “pludselig bliver perfekte”, men at elektroner parres, deres faser låses til én fælles måtte, og de overleveres koherent over barrierer:

• Ved svag drivning lukker måtten energilækager → nulmodstand.
• Måtten modsætter sig vilkårlig vridning → fortrænger magnetfeltet eller tillader kun kvantiserede hvirvler at trænge ind.
• Mellem to måtter kan en nær-kritisk spalte overbygges af en fasebro, som bærer superstrøm uden spænding og, under ydre rytme, trinvist danner en spændingsstige.

Én sætning at huske: par → faselås → koherent stafet over barrieren—hele “magien” ved supraledning og Josephson-effekten udspringer af disse tre trin.