6.11 Superledning og Josephson-effekten

Hjem ／ Kapittel 6: Kvantedomenet

I. Fenomener og nøkkelspørsmål

Når enkelte metaller eller keramikk kjøles tilstrekkelig ned, faller den elektriske motstanden til under målegrensen, og strøm kan sirkulere i en lukket løkke i årevis uten merkbar svekkelse. Eksterne magnetfelt skyves ut av materialet; bare under særskilte betingelser slipper de inn som ekstremt tynne, kvantiserte flukstuber. Legger man et ultratynt isolasjonslag mellom to superledere, kan en stabil strøm flyte uten pålagt spenning; belyses systemet med radiofrekvens (RF), låses spenningen i trinn, som en tydelig “spenningsstige”.

Disse kjennetegnene definerer superledning og Josephson-effekten: null motstand, perfekt diamagnetisme (eller inntrenging via kvantiserte flukser), superstøm ved null spenning og RF-induserte spennings­trinn. Spørsmålene er: Hvorfor forsvinner strømmenes “friksjon” brått ved nedkjøling? Hvorfor kan magnetfelt bare trenge inn som tynne rør med “fast kvote”? Hvordan kan strøm krysse et isolatorlag, og hvorfor låser mikrobølger responsen i jevne trinn?

II. Tolkning etter Energifilamentteorien (EFT): fase-låste elektronpar, lukkede dissipasjonskanaler og koherent «stafett» over barrierer

1. Først paring, deretter «søm» av fasene
   I Energifilamentteorien (EFT) er et elektron en stabil enkel sløyfe; ytterlaget samvirker med «energihavet» og krystallgitteret. Når temperaturen synker og gittervibrasjonene avtar, åpner enkelte materialer en jevnere strekkorridor som lar elektroner følge hverandre; to elektroner med motsatt sløyferetning danner da et par. Paringen kansellerer eller senker mange energitapskanaler. Ved videre nedkjøling justeres fasene i ytterlaget på tvers av mange par og brer seg som et prøvedekkende samfase-nettverk—tenk et «faseteppe» som flyter som én enhet.
2. Hvorfor null motstand: kollektiv lukking av energitap
   Vanlig motstand oppstår når strøm lekker energi til omgivelsene gjennom talløse små kanaler—urenheter, fononer, ru grenser osv. Når faseteppet ligger stramt, er lokale “rynker” som bryter koherens vanskelige å danne, og terskelen for dissipasjon skyter i været. Så lenge pådrivet ikke river teppet, lekker ikke strømmen energi, og man måler null motstand.
3. Hvorfor diamagnetisme og fluks-kvantisering: fasen lar seg ikke tvinne vilkårlig
   For å holde seg jevnt innvendig motsetter faseteppet seg magnetisk tvinging. Derfor oppstår overflatestrømmer som presser feltet ut (perfekt diamagnetisme). I noen materialer får felt trenge inn som tynne tråder; hver tråd tilsvarer at fasen går rundt et helt antall ganger—dette er fluks-kvantisering. Disse trådene kan ses som «hule spenningsfilament-kjerner» som fasen omkranser; de frastøter hverandre og kan ordne seg i geometriske mønstre.
4. Hvorfor Josephson-superstrøm: koherent stafett over en smal barriere
   Plasser to «fasetepper» adskilt av en ultratynn isolator eller en svak metallbro. Mellomsonen er nær-kritisk—ikke fullt koherent, men nesten. I denne smale «dørsprekken» kan parfasene overleveres koherent: ikke ved at én partikkel bryter gjennom, men ved at en kort fasebro «sys» over gapet.

• Når «takten» på begge sider matcher, overfører broen fasen stabilt: det flyter superstøm uten spenning (likestrøms-Josephson).
• Når «takten» avviker—ved pålagt spenning eller RF-driv—endrer faseforskjellen seg jevnt eller låses til den ytre rytmen; broen pumper superstøm i faste tempi, som gir vekselstrømsatferd og frekvens-låste spennings­trinn.

5. Hvorfor ikke alltid ideelt: defekter og rifter åpner for tap igjen
   For stor strøm, sterkt felt, høyere temperatur eller defekter som pinner fasen, setter kvantiserte virvler i bevegelse. Når virvlene kryper, rives teppet i kjeder av små hull som slipper ut energi. Resultatet er kritisk strøm, tapstopper og ikke-lineær respons.

III. Typiske situasjoner

1. To familier av superledere:

• Den ene skubber ut nesten alt felt og faller samlet ut når en terskel passeres.
• Den andre slipper fluks inn som tynne rør; ved sterke felt danner virvelgitter som likevel bærer strøm. Forskjellen speiler hvor mye faseteppet tolererer magnetisk tvinning.

2. Superledende ring og vedvarende strøm:
   I en lukket løkke må faseomløpet være heltallig; så lenge teppet ikke rives, består strømmen svært lenge. Er innelukket fluks ikke et heltallsmultiplum, hopper systemet til nærmeste heltalls­tilstand—synlig som diskrete stabile nivåer.
3. Tunell-kobling og svak kobling:
   I en ultratynn spalte kan superstøm flyte uten spenning; under RF sees spennings­trinn, som viser at faseforskjellen låses til ytre rytme.
4. Parallell ring: interferometer:
   To fasebroer som danner en liten ring, får under ytre fluks ulike fasesprang. Superstrømmen oscillerer periodisk med fluksen og fungerer som et svært følsomt fluksmeter.

IV. Observerbare «fingeravtrykk»

• Brått fall til null motstand: Under en karakteristisk temperatur stuper motstanden.
• Perfekt diamagnetisme eller gitter av flukstuber: Felt støtes ut, eller trenger inn som tynne rør i regelmessige mønstre.
• Superstrøm uten spenning og kritisk strøm: Strøm flyter av seg selv til en grense, deretter bryter den sammen.
• RF-trinn: Med RF låses spenningen i trinn, som bekrefter rytmelåsing av faseforskjellen.
• Fast interferens-periodisitet: I små ringer oscillerer strømmen med en konstant periode mot fluks.
• Pinning og kryping av virvler: Defekter kan redusere tap men øke kritisk strøm; når virvler kryper, oppstår tapstopper.

V. Side om side med den etablerte forklaringen (samme fysikk)

• Den etablerte teorien beskriver kondensering av elektronpar med en makroskopisk ordensparameter (kompleks amplitude med fase). Null motstand følger av dissipasjonsfri faseflyt; diamagnetisme av fasens motstand mot tvinning; fluks-kvantisering og virvler av kravet om heltallsomløp.
• Energifilamentteorien gir samme bilde i mer «materielle» termer: elektronpar er koblede sløyfer; faseteppet er et samfase-nettverk over hele prøven; null motstand er kollektiv lukking av tap; fluks-kvantisering er en topologisk defekt rundt en hul spenningsfilament-kjerne; Josephson-atferd er en kort fasebro over et nær-kritisk gap. De kvantitative lovene og fenomenene stemmer overens; forskjellen ligger i fortellingen som forankrer geometrien i «filamenter og hav».

VI. Oppsummert

Superledning betyr ikke at elektroner «plutselig blir perfekte», men at elektroner pares, fasene deres låses til ett felles teppe, og deretter overføres de koherent over barrierer:

• Ved svakt pådriv lukker teppet energilekkasjer → null motstand.
• Teppet motsetter seg vilkårlig tvinning → støter ut magnetfelt eller slipper bare kvantiserte virvler inn.
• Mellom to tepper kan et nær-kritisk gap brolegges av en fasebro som bærer superstøm uten spenning og, under ytre rytme, trinner spenningen til en stige.

Én linje å huske: par → lås fase → stafetter koherent over hinder—all «magien» ved superledning og Josephson-effekten springer ut av disse tre trinnene.