6.11 Supraledning och Josephson-effekten

Hem ／ Kapitel 6: Kvantdomänen

I. Fenomen och centrala frågor

När vissa metaller eller keramer kyls tillräckligt mycket sjunker deras elektriska resistans under mätbar nivå, och en ström kan cirkulera i en sluten slinga i åratal utan märkbar dämpning. Externa magnetfält trycks ut ur materialets inre; endast under särskilda förhållanden tränger de in som extremt tunna, kvantiserade flödestuber. Om ett ultratunt isolatorskikt placeras mellan två supraledare kan en stabil ström flyta utan tillförd spänning; bestrålning med radiofrekvens (RF) gör att spänningen låses i tydliga steg.

Dessa kännetecken definierar supraledning och Josephson-effekten: nollresistans, perfekt diamagnetism (eller inträngning via kvantiserat flöde), superström vid noll spänning och RF-inducerade spänningssteg. Frågorna blir därför: varför försvinner den elektriska ”friktionen” abrupt vid kylning? Varför kan magnetfält bara gå in som tunna rör med ”fast kvot”? Hur kan ström passera genom en isolator, och varför låser mikrovågor svaret till regelbundna steg?

II. Tolkning enligt Energifilamentteorin (EFT): faslåsta elektronpar, stängda förlustkanaler och koherent ”stafett” över barriärer

1. Para först, ”sömma” faserna sedan
   I Energifilamentteorin (EFT) är elektronen en stabil enkel slinga vars ytterskikt växelverkar med ”energihavet” och kristallgittret. När temperaturen sjunker och gittervibrationerna avtar uppstår i vissa material en jämnare spänningskorridor som gör att elektroner kan följa varandra; två elektroner med motsatt slingeriktning bildar då ett par. Parbildningen släcker eller sänker många kanaler för energiförlust. Fortsatt kylning gör att faserna i många pars ytterskikt linjeras upp och breder ut sig till ett samfasnätverk över hela provet—tänk en fasmatta som rör sig som en enda helhet.
2. Varför nollresistans: kollektiv stängning av förlustkanaler
   Vanlig resistans uppstår när ström läcker energi till omgivningen via oräkneliga små kanaler—föroreningar, fononer, ojämna gränser och liknande. När fasmatta väl ligger på plats är lokala ”veck” som bryter koherensen svåra att skapa, och tröskeln för dissipation skjuter i höjden. Så länge drivningen inte river mattan läcker inte strömmen energi, och man mäter nollresistans.
3. Varför diamagnetism och kvantisering av magnetiskt flöde: fasen låter sig inte vridas godtyckligt
   För att förbli jämn invändigt motsätter sig fasmatta magnetisk vridning. Därför uppstår ytliga returströmmar som trycker ut fältet (perfekt diamagnetism). I vissa material tillåts fältet tränga in som tunna filament; varje filament motsvarar att fasen går runt ett heltal varv—det vill säga flödeskvantisering. Filamenten kan ses som ”ihåliga spänningsfilamentskärnor” som fasen ringlar kring; de stöter bort varandra och kan ordna sig i geometriska mönster.
4. Varför Josephson-superström: koherent stafett över en smal spalt
   Placera två ”fasmattor” åtskilda av en ultratunn isolator eller en svag metallbrygga. Mellanzonen är nära kritisk—inte helt koherent ännu, men mycket nära. I denna smala ”dörrspringa” kan parens faser överlämnas koherent: inte genom att en enskild partikel bryter igenom, utan genom att en kort fasbro ”sys” över glappet.

• När ”takten” på båda sidor matchar transporterar bron fasen stabilt: en superström flyter utan spänning (likströms-Josephson).
• När ”takten” skiljer sig—på grund av applicerad spänning eller RF-drivning—ändras fasdifferensen jämnt eller låses till den yttre rytmen; bron pumpar superström i fasta tempon, vilket ger växelströmsbeteende och frekvenslåsta spänningssteg.

5. Varför inte alltid perfekt: defekter och revor öppnar åter förluster
   För stor ström, starkt fält, höjd temperatur eller defekter som pinnar fasen sätter kvantiserade virvlar i rörelse. När virvlarna kryper slits mattan upp i kedjor av små hål där energi smiter ut. Följden blir kritisk ström, förlusttoppar och icke-linjär respons.

III. Typiska scenarier

1. Två familjer av supraledare:

• Den ena stöter bort nästan allt fält och tappar supraledning abrupt när en tröskel passeras.
• Den andra släpper in flöde som tunna tuber; vid starka fält bildas virvelgitter som ändå bär ström. Skillnaden speglar hur mycket fasmatta tolererar magnetisk vridning.

2. Supraledande ring och bestående ström:
   I en sluten slinga måste fasomloppet vara heltaligt; så länge mattan inte rivs består strömmen mycket länge. Om det inneslutna flödet inte är ett heltalsmultipel hoppar systemet till närmaste heltalstillstånd, synligt som diskreta stabila nivåer.
3. Tunnelövergångar och svaga länkar:
   I en ultratunn spalt kan superström flyta utan spänning; under RF uppträder spänningssteg, vilket visar att fasdifferensen låses till den yttre rytmen.
4. Parallell ring: interferometer:
   Två fasbroar som bildar en liten ring utsätts vid yttre flöde för olika fasförskjutningar. Superströmmen oscillerar periodiskt med flödet och fungerar som en mycket känslig flödesmätare.

IV. Observerbara ”fingeravtryck”

• Brant fall till nollresistans: under en karaktäristisk temperatur rasar resistansen.
• Perfekt diamagnetism eller gitter av flödestuber: fält stöts ut, eller tränger in som tunna tuber i regelbundna mönster.
• Superström utan spänning och kritisk ström: ström flyter spontant upp till en gräns och bryter sedan samman.
• RF-steg: med RF låses spänningen i steg, vilket bekräftar rytmlåsning av fasdifferensen.
• Konstant interferensperiodicitet: i små ringar oscillerar strömmen med konstant period mot flödet.
• Virvelpinning och krypning: defekter kan minska förluster men höja den kritiska strömmen; när virvlar kryper uppstår förlusttoppar.

V. Sida vid sida med den etablerade beskrivningen (fysiken är densamma)

• Den etablerade bilden beskriver kondensation av elektronpar med en makroskopisk ordningsparameter (komplex amplitud med fas). Nollresistans följer av förlustfri fasström, diamagnetism av fasens motstånd mot vridning, och flödeskvantisering samt virvlar av kravet på heltaligt omlopp.
• Energifilamentteorin uttrycker samma sak i mer ”materiella” termer: elektronpar är kopplade slingor; fasmattan är ett samfasnätverk över hela provet; nollresistans är kollektiv stängning av förlustkanaler; flödeskvantisering är ett topologiskt defekt kring en ihålig spänningsfilamentskärna; Josephson-beteende är en kort fasbro över en nära kritisk spalt. De kvantitativa lagarna och fenomenen stämmer överens; skillnaden ligger i berättelsen som förankrar geometrin i bilden av ”filament och hav”.

VI. Sammanfattningsvis

Supraledning innebär inte att elektronerna ”plötsligt blir perfekta”, utan att elektroner paras, deras faser låses till en gemensam matta, och därefter överlämnas koherent över hinder:

• Vid svag drivning stänger mattan energiläckor → nollresistans.
• Mattan motsätter sig godtycklig vridning → stöter ut magnetfältet eller släpper bara in kvantiserade virvlar.
• Mellan två mattor kan en nära kritisk spalt överbryggas av en fasbro som bär superström utan spänning och, under yttre rytm, stegar spänningen till en spänningsstege.

En rad att minnas: para → faslåsa → stafetta koherent över barriären—hela ”magin” i supraledning och Josephson-effekten följer av dessa tre steg.