Нестационарный эффект Джозефсона в фундаментальных физических экспериментах

Как следует из (3), множителем, связывающим частоту излучения и приложенное напряжение, является удвоенная величина e / h - отношение заряда электрона к постоянной Планка. Ступеньки Шапиро, возникающие на вольт-амперной характеристике джозефсоновского перехода под действием внешнего высокочастотного поля (рис. 5), позволяют вместо очень слабой джозефсоновской генерации измерять частоту этого внешнего поля. Таким образом, измеряя напряжения ступенек и частоту электромагнитного излучения, можно вычислить отношение e / h. Следует подчеркнуть, что радиочастота - одна из немногих физических величин, которые могут быть измерены с очень высокой точностью и, хотя электрическое напряжение не удается измерять столь же точно, в целом точность определения отношения e / h с помощью нестационарного эффекта Джозефсона оказалась гораздо более высокой, чем это было раньше.

Чем же важны измерения отношения e / h и почему необходимо повышать точность таких измерений? В фундаментальном разделе современной теоретической физики - квантовой электродинамике величина этого отношения, а точнее, постоянная тонкой структуры атома водорода вычисляется с очень высокой точностью. Доступная для измерений точность этой величины до применения эффекта Джозефсона была далеко не достаточной (в основном из-за недостаточной точности измерения постоянной Планка ), так что существенное расхождение между теоретическим и экспериментальным значениями можно было приписать проявлению границ применимости квантовой электродинамики как таковой. При использовании эффекта Джозефсона реально удалось повысить точность измерения величины e / h в 20 раз и оказалось, что границы применимости квантовой электродинамики не проявляются.

Похожие эксперименты используются для создания стандартов единицы напряжения - вольта. Дело в том, что существующие гальванические стандарты вольта медленно меняются во времени - плывут, относительное изменение составляет примерно 3*10^-7 в год. Периодическое сравнение уровня напряжения эталона с экспериментально определенным согласно соотношению (3) при воздействии излучения с очень высокой стабильностью частоты на контакт Джозефсона позволяет вводить необходимую поправку и получить в целом гораздо более стабильный стандарт вольта. Основная трудность, с которой приходится сталкиваться в такого рода задаче, состоит в том, что типичное напряжение на контакте мало, составляет малую долю вольта. Поэтому для получения напряжения в один вольт соединяют последовательно большое число контактов и синхронизируют их джозефсоновскую генерацию с помощью внешнего излучения.

Дата добавления: 2014-01-20