СЛАБОСВЯЗАННЫЕ СВЕРХПРОВОДНИКИ
Новые возможности открылись перед электронной техникой в связи с освоением эффектов слабой сверхпроводимости.
Сверхпроводники, разделенные тонким слоем диэлектрика (туннельные контакты Джозефсона), оказались идеально приспособленными к использованию в самых различных областях криоэлектроники. Такие контакты устанавливают, как говорят физики, слабую связь между двумя сверхпроводниками. Слабую не из-за своей механической прочности. Слаб сам электрический контакт сверхпроводников: из-за малой площади контакта для его «разрушения», нарушения его сверхпроводимости достаточно даже небольшого тока, возбужденного внешними полями.
Уже первые опыты со слабой сверхпроводимостью (или со слабосвязанными сверхпроводниками) показали, что параметры многих устройств электронной техники могут быть заметно улучшены. Физики разобрались в природе соответствующих явлений, а технологи смогли построить недорогие элементы, пользуясь известной технологией тонких пленок. Именно это обстоятельство и позволило сверхпроводящей электронике проникнуть в удивительную область, где точность измерений дошла уже до пределов, налагаемых фундаментальными физическими законами. И конечно же, появились новые интересные приборы: генераторы, усилители, детекторы излучения, переключатели...
Основой всех этих, приборов является одна деталь — слабый сверхпроводящий контакт. Состоит он из разных частей, и создаются они разными способами. Вот как выглядит в общих чертах процесс изготовления джозефсоновского контакта.
Взяв за основу керамическую или стеклянную пластинку — подложку, наносят на нее пленку сверхпроводника (обычно ее получают, напыляя металл в вакууме). Первоначально для этой цели использовались легкоплавкие металлы, такие, как индий, олово, свинец, а в последнее время все большее применение получают тугоплавкие сверхпроводники, в основном ниобий.
Следующий этап — образование барьерного слоя, как правило, это слой окисла на поверхности пленки. Получают его путем окисления пленки в слабом высокочастотном разряде в атмосфере кислорода. Этот слой должен быть тонким (10...20 А), ровным, плотным, не иметь пор и не меняться со временем. Главная его функция — это установление слабой связи между сверхпроводниками, т. е. создание между ними зоны с малой концентрацией электронных пар. Эта зона должна обеспечивать хотя и конечный, но слабый обмен электронными парами и тем самым образовывать необходимую слабую связь.
Затем поверх окисного слоя напыляют вторую (обычно свинцовую) сверхпроводящую пленку, и этим изготовление туннельного перехода завершается". В результате получается так называемый «сендвич», который для удобства измерений обычно делают в виде креста, как показано на рисунке 6.18.1.
Рис. 6.18.1.
Уже вскоре после экспериментального открытия эффектов Джозефсона выяснилось, что слабая связь между сверхпроводниками может быть образована не только с помощью окисного слоя. Такими же в принципе характеристиками, как и туннельные контакты, облагают и контакты другого вида, например структуры типа SNS— сверхпроводник — нормальный металл — сверхпроводник, узкие перемычки в сверхпроводнике, точечные контакты между острием и пластинкой из сверхпроводника, наконец, пластинка из сверхпроводящего материала с узкой накладкой из нормального металла. Все эти варианты слабой связи схематически можно представить на рисунке 6.18.2.
Рис. 6.18.2
Отличаются они друг от друга устойчивостью вольт-амперных характеристик. При нарушении сверхпроводимости цепи, включающей слабые звенья, внешнее поле даже небольшой величины вызывает быстрый рост напряжения в цепи, что и обеспечивает чрезвычайно высокую чувствительность разнообразных приборов, использующих этот эффект.