6.11 Supergeleiding en het Josephson-effect

Startpagina ／ Hoofdstuk 6: Kwantumdomein

I. Fenomenen en kernvragen

Wanneer bepaalde metalen of keramieken ver genoeg worden afgekoeld, daalt hun elektrische weerstand tot onder de meetgrens en kan een stroom jarenlang in een gesloten lus blijven circuleren zonder merkbare verzwakking. Externe magnetische velden worden uit het materiaal gedreven; alleen onder specifieke omstandigheden dringen ze binnen als extreem dunne, gekwantiseerde fluxbuizen. Plaats je een ultradunne isolator tussen twee supergeleiders, dan kan er zonder aangelegde spanning toch een stabiele superstrom lopen; wordt het systeem met radiofrequentie (RF) bestraald, dan vergrendelt de spanning zich in duidelijke spanningsstappen.

Deze kenmerken definiëren supergeleiding en het Josephson-effect: nulweerstand, perfecte diamagnetisme (of binnendringen via gekwantiseerde flux), superstroom zonder spanning en RF-geïnduceerde spanningsstappen. De vragen zijn: waarom verdwijnt de elektrische “wrijving” plotseling bij afkoeling? Waarom kan een magneetveld alleen in “vaste quota” als dunne buizen binnendringen? Hoe kan stroom een isolator oversteken, en waarom vergrendelen microgolven de respons tot keurige stappen?

II. Uitleg volgens de Energie-filamenttheorie (EFT): fase-vergrendelde elektronenparen, gesloten dissipatiekanalen en coherente ‘estafette’ over barrières

1. Eerst paren, daarna de fasen ‘aan elkaar stikken’
   In de Energie-filamenttheorie (EFT) is een elektron een stabiele enkelvoudige lus waarvan de buitenlaag met de “energieseë” en het kristalrooster koppelt. Bij dalende temperatuur nemen roostertrillingen af en ontstaat in sommige materialen een trekkorridor waarlangs elektronen elkaar makkelijker volgen; twee elektronen met tegengestelde lusrichting vormen dan een paar. Dat paren heft vele dissipatiepaden op of drukt ze omlaag. Koel je verder af, dan raken de buitenlaagfasen van veel paren op één lijn en ontstaat een monsters-omspannend co-fasenetwerk—denk aan een “fasekleed” dat als één geheel meebeweegt.
2. Waarom nulweerstand: collectief sluiten van dissipatiekanalen
   Gewone weerstand komt voort uit energie-lekken via talloze kleine kanalen—onzuiverheden, fononen, ruwe randen, enzovoort. Ligt het fasekleed, dan zijn lokale rimpels die de coherentie breken moeilijk te vormen en schiet de drempel voor dissipatie omhoog. Zolang de aandrijving het kleed niet scheurt, lekt de stroom geen energie weg en meet je effectief nul weerstand.
3. Waarom diamagnetisme en fluxkwantisatie: de fase laat zich niet willekeurig torderen
   Om inwendig vlak te blijven, verzet het fasekleed zich tegen magnetische torsie. Aan het oppervlak ontstaan daarom terugstromen die het veld naar buiten drukken (perfect diamagnetisme). In sommige materialen mag veld binnendringen als dunne strengen; elke streng komt overeen met een fase-omloop van een geheel aantal rondes—dit is fluxkwantisatie. Je kunt die strengen zien als “holle trek-filamentkernen” waaromheen de fase cirkelt; ze stoten elkaar af en kunnen zich rangschikken tot geometrische patronen.
4. Waarom Josephson-superstroom: coherente estafette over een smalle barrière
   Zet twee “fasekleden” uiteen met daartussen een ultradunne isolator of zwakke metaalbrug. Het tussenstuk verkeert in een bijna-kritische toestand: nog net niet volledig coherent, maar dicht erbij. In deze smalle “deuropening” kunnen de fasen van paren coherent doorgeven: geen enkel deeltje dat door de barrière beukt, maar een korte fasebrug die over de spleet wordt “vastgestikt”.

• Is het “ritme” aan beide zijden gelijk, dan draagt de brug de fase stabiel over: er loopt zonder spanning een superstroom (gelijkstroom-Josephson).
• Verschilt het “ritme”—door aangelegde spanning of RF-aandrijving—dan verandert het faseverschil gelijkmatig of vergrendelt het op de externe frequentie; de brug pompt superstroom op vaste tempi, wat leidt tot wisselstroomgedrag en frequentie-vergrendelde spanningsstappen.

5. Waarom niet altijd ideaal: defecten en scheuren openen dissipatie opnieuw
   Te grote stroom, te sterk veld, hogere temperatuur of defecten die de fase pinnen trekken gekwantiseerde vortices in beweging. Terwijl vortices kruipen, scheurt het kleed in ketens van kleine gaatjes waar energie ontsnapt. Gevolg: een kritische stroom, verliespieken en niet-lineaire respons.

III. Typische situaties

1. Twee families supergeleiders:

• De ene werpt vrijwel alle veldlijnen uit en valt abrupt uit zodra een drempel wordt overschreden.
• De andere laat flux als dunne buizen binnen; bij sterke velden vormen vortex-roosters die toch stroom dragen. Dit verschil weerspiegelt hoezeer het fasekleed magnetische torsie tolereert.

2. Supergeleidende ring en blijvende stroom:
   In een gesloten lus moet de fase-omloop geheel zijn; zolang het kleed niet scheurt, blijft de stroom lang bestaan. Is de ingesloten flux geen geheel veelvoud, dan springt het systeem naar de dichtstbijzijnde gehele toestand—zichtbaar als discrete stabiele niveaus.
3. Tunneldiode en zwakke koppeling:
   In een ultradunne spleet kan superstroom zonder spanning lopen; bij RF verschijnt een getrapte spanning, wat aantoont dat het faseverschil op het externe ritme is vergrendeld.
4. Parallelle ring: interferometer:
   Twee fasebruggen die samen een kleine ring vormen, ondervinden bij externe flux verschillende fasesprongen. De superstroom oscilleert periodiek met de flux en werkt als een zeer gevoelige fluxmeter.

IV. Waarneembare vingerafdrukken

• Plots dalen naar nul weerstand: Onder een kenmerktemperatuur keldert de weerstand.
• Perfect diamagnetisme of flux-buizenroosters: Veld wordt uitgestoten, of dringt als dunne buizen binnen met regelmatige patronen.
• Superstroom zonder spanning en kritische stroom: Stroom loopt spontaan tot een grens en breekt dan af.
• RF-trappen: Onder RF vergrendelt de spanning in stappen, een teken van rytme-lock van het faseverschil.
• Vaste interferentieperiodiciteit: In kleine ringen oscilleert de stroom met een constante periode versus flux.
• Vortex-pinnen en -kruipen: Defecten kunnen verliezen verlagen maar de kritische stroom verhogen; bij vortexkruipen verschijnen verliespieken.

V. Zij-aan-zij met de gangbare uitleg (het gaat om dezelfde fysica)

• De gangbare theorie beschrijft de condensatie van elektronenparen via een macroscopische ordeparameter (een complexe amplitude met fase). Nulweerstand volgt uit dissipatieloze fase-stroom; diamagnetisme uit de neiging van de fase om torsie te weerstaan; fluxkwantisatie en vortices uit de eis van gehele omloop.
• De Energie-filamenttheorie giet dit in een tastbaarder verhaal: elektronenparen zijn gekoppelde lussen; het fasekleed is een co-fasenetwerk over het hele monster; nulweerstand is het collectief sluiten van dissipatiekanalen; fluxkwantisatie is een topologisch defect rond een holle trek-filamentkern; Josephson-gedrag is een korte fasebrug over een bijna-kritische spleet. De kwantitatieve wetten en verschijnselen komen overeen; het verschil zit in de geometrie die wordt teruggebracht tot het materiaalverhaal van “filamenten en zee”.

VI. Samengevat

Supergeleiding betekent niet dat elektronen “plots perfect” worden, maar dat we elektronen tot paren vormen, hun fasen vergrendelen tot één kleed, en dan coherent over obstakels doorgeven:

• Bij zwakke aandrijving sluit het kleed energielekken → nulweerstand.
• Het verzet zich tegen willekeurige torsie → stoot magnetisch veld uit of laat alleen gekwantiseerde vortices binnen.
• Tussen twee kleden kan een bijna-kritische spleet worden overbrugd met een fasebrug die zonder spanning superstroom draagt en onder extern ritme in stappen een spanningsladder vormt.

Eén zin om te onthouden: paren → fasen vergrendelen → coherent doorgeven over barrières—de volledige “magie” van supergeleiding en het Josephson-effect komt uit deze drie stappen.