Effet Josephson

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L'effet Josephson se manifeste par l'apparition d'un courant entre deux supraconducteurs séparés par une couche de milieu isolant ou métallique non-supraconducteur. Dans le premier cas on parle de Jonction Josephson S-I-S (supraconducteur-isolant-supraconducteur) et dans le second de jonction S-M-S. Bien que les paires de Cooper ne puissent pas exister dans un isolant ou un métal non-supraconducteur, si la couche qui sépare les deux supraconducteurs est suffisamment mince les paires de Cooper de la théorie BCS peuvent traverser la barrière par effet tunnel et garder leur cohérence de phase. C'est la persistance de cette cohérence de phase qui donne lieu à l'effet Josephson.

On distingue en fait deux types d'effet Josephson, l'effet Josephson continu (D.C. Josephson effect en anglais) et l'effet Josephson alternatif (A.C. Josephson effect en anglais). Ces deux effets ont été prédits par Brian David Josephson en 1962 à partir de la théorie B. C. S. Ces travaux lui ont valu le prix Nobel de physique en 1973 (avec Leo Esaki et Ivar Giaever).

[modifier] Effet Josephson alternatif

A cause de l'effet tunnel des paires de Cooper, le courant supraconducteur à travers la barrière séparant les supraconducteurs est :

$I s = I c sin(φ 1 - φ 2)$

où $I c$ est un courant caractéristique de la jonction et $φ 1,2$ sont les phases supraconductrices des deux supraconducteurs.

D'autre part, la phase supraconductrice étant canoniquement conjuguée avec le nombre de particules, elle obéit à l'équation du mouvement :

$\hbar \frac{d (\phi_1-\phi_2)}{dt} = 2 e (V_1-V_2)$

où $e$ est la charge de l'électron, et $V 1 - V 2$ est la différence de potentiel existant entre les deux supraconducteurs.

Il en résulte que : $I(t)=I_c \sin \left(\frac{2e}{\hbar} (V_1 -V_2) t +\varphi_0\right)$

Autrement dit, l'application d'une différence de potentiel entraine des oscillations du courant supraconducteur à une fréquence $\frac{2 e}{h} (V_1-V_2)$ . L'effet Josephson alternatif fournit ainsi un moyen de mesurer le rapport $e / h$ .

[modifier] Effet Josephson continu

L'effet Josephson continu s'obtient lorsqu'on applique un champ magnétique à une jonction Josephson. Le champ magnétique produit un déphasage entre les paires de Cooper qui traversent la jonction d'une manière analogue à l'effet Aharonov-Bohm. Ce déphasage peut produire des interférences destructives entre les paires de Cooper, ce qui entraine une réduction du courant maximal pouvant traverser la jonction. Si $Φ$ est le flux magnétique à travers la jonction, on a la relation :

$I_s^{max}= I_c \frac{\sin \frac{\pi \Phi}{\Phi_0}}{\frac{\pi \Phi}{\Phi_0}}$

L'effet Josephson continu est mis à profit dans les SQUIDs (Superconducting Quantum Inteference Device) pour mesurer les champs magnétiques.

[modifier] Références

B. Dutoit EPFL: SQUIDs et effet Josephson
Laboratoire National de métrologie et d'essai représentation du Volt par l'effet Josephon
J. M. Ziman Principles of the Theory of Solids (Cambridge University Press)
M. Tinkham Introduction to Superconductivity (Mc Graw Hill)
P. W. Anderson Basic Notions of Condensed Matter Physics (Addison-Wesley)
Nobel Foundation
SQUID magnetometers