Генрих Бурмин - Штурм абсолютного нуля

Так почему же компьютер все‑таки «предпочитает» двоичную систему счисления?

Потому что она легче всего воспроизводится машиной.

Например, отключенному реле можно приписать состояние «0», а включенному реле «1»; отсутствие сигнала на выходе электронной схемы — «0», наличие сигнала «1» и т. п. А громоздкость подобной записи компенсируется быстродействием компьютера.

Двоичная информация легко «укладывается» в памяти компьютера. Из двоичных элементов собираются схемы для выполнения логических операций.

Сам принцип использования сверхпроводимости для воспроизведения и запоминания двоичной информации понять нетрудно.

Представьте себе сверхпроводящий контур, в котором протекает незатухающий ток. В зависимости от направления незатухающему току можно приписать информацию «О» или «1». Можно эту информацию приписать и другим состояниям контура: с током «1», без тока «О». А поскольку незатухающий ток может протекать по сверхпроводящему кольцу неограниченное время, то этим определяется способность сверхпроводника долговременно запоминать информацию.

Простейшим («разумным») сверхпроводящим элементом является криотрон, предложенный в 1956 году американским ученым Д. Беком. Он содержит короткий отрезок проволоки из сверхпроводника, обладающего относительно небольшой величиной критического магнитного поля, называемый вентилем. Поверх вентиля навивается однослойная обмотка также из сверхпроводящей проволоки, но изготовленная из металла, обладающего большим значением критического магнитного поля, так называемая управляющая обмотка. Эта обмотка служит для создания магнитного поля, разрушающего сверхпроводимость вентиля.

Пока в управляющей обмотке тока нет, вентиль находится в сверхпроводящем состоянии. Если через управляющую обмотку протекает ток достаточной величины, то возбуждаемое им магнитное поле разрушает сверхпроводимость вентиля. Таким образом, вентиль в зависимости от величины тока в управляющей обмотке либо будет обладать электрическим сопротивлением, либо не будет. Управляющая обмотка все время находится в сверхпроводящем состоянии, так как магнитное поле, достаточное для разрушения сверхпроводимости вентиля, является надостаточным для срыва сверхпроводимости управляющей обмотки.

Один из основных недостатков проволочного криотрона — сравнительно большое время переключения из одного положения в другое: порядка десятитысячных долей секунды.

Когда стало ясно, что такая скорость слишком мала для современных электронных вычислительных машин, разработчики решили заменить проволоки тонкими пленками.

Появился пленочный криотрон. Он состоит из двух пленок, расположенных достаточно близко друг от друга (обычно одна над другой): вентильной и управляющей. Принцип работы прибора остался неизменным, но действовать он стал значительно быстрее: время переключения уменьшилось до 10 наносекунд (одна наносекунда равна одной миллиардной доли секунды).

На усовершенствование криотронов было затрачено много усилий. Но к середине 60–х годов исследователи убедились, что пленочные криотроны по своим характеристикам уступают разработанным к тому времени лучшим образцам транзисторов, работающим при комнатной температуре.

Начиная примерно с 60–х годов в книгах и монографиях, посвященных сверхпроводимости, появилось новое имя: Джозефсон. Этот молодой, тогда еще мало известный английский физик сразу приобрел популярность. В науку вошло понятие: эффект Джозефсона.

Представьте себе две пленки из металлов, разделенные слоем изолятора. В такой системе электроны обоих металлов отделены друг от друга как бы глухой стенкой: изолятор ведь не пропускает электрический ток.

Но оказывается, что при определенных условиях электрон может проходить и через «глухую стену». Это позволяют законы квантовой механики, которые, как мы не раз уже убеждались, весьма отличаются от законов, управляющих движением больших тел. Если изоляционный слой достаточно тонкий (его толщина не должна превышать нескольких нанометров), то при подключении пленок к полюсам электрической батареи в цепи возникает слабый электрический ток. Такой контакт между металлами — получил название туннельного.

Особо интересные явления наблюдаются, если туннельный контакт состоит из двух сверхпроводников.

Тогда при прохождении через контакт тока, величина которого не превышает некоторое критическое значение, на контакте падения напряжения не возникает: в цепи протекает незатухающий постоянный электрический ток. Это явление получило название стационарного эффекта Джозефсона.

Эффект Джозефсона: 1 — сверхпроводник; 2 — изолятор; 3 — вольтметр; 4 — амперметр. А — при прохождении через туннельный контакт сверхпроводящего тока, величина которого меньше критического, напряжение на контакте равно нулю. В цепи протекает незатухающий ток. Б — при прохождении через туннельный контакт тока, величина которого больше критического, на контакте возникает падение напряжения, и происходит излучение электромагнитных волн.

Если же величина тока превышает критическую, то на контакте возникает падение напряжения. При этом наблюдается излучение электромагнитных волн. Иными словами, при постоянной разности потенциалов возбуждается переменный ток. Это так называемый нестационарный эффект Джозефсона.

Эффект Джозефсона наблюдается также, если разделить два сверхпроводника слоем нормального, то есть не сверхпроводящего, металла. В этом случае «стенка» может быть сравнительно «толстой» — в десятки и сотни нанометров.

Существуют и другие способы создания контактов, в которых проявляется эффект Джозефсона.

Вот некоторые из них.

Проволоку из сверхпроводника, например ниобия, заостряют, а затем острие прижимается к куску ниобия. Получается так называемый точечный сверхпроводящий контакт.

Между двумя сверхпроводниками можно проложить своеобразный «мост» — микроскопическое сужение (его площадь равна примерно одному квадратному микрометру) между двумя сверхпроводящими пленками.

Это соединение так и называется мостиковым контактом.

Общим для всех перечисленных систем является наличие «слабого» звена или, иными словами, слабой связи между двумя сверхпроводниками. Поэтому они получили название слабо связанных сверхпроводников.

Примечательно, что двадцатидвухлетний студент Кембриджского университета Брийан Джозефсон открыл в 1962 году эффект, названный его именем: он его вычислил на основании теории сверхпроводимости.

В 1963 году американские физики П. Андерсон и Дж. Роуэл экспериментально доказали наличие стационарного эффекта Джозефсона. А в 1965 году харьковские ученые И. К. Янсон, В. М. Свистунов и И. М. Дмитренко впервые обнаружили электромагнитное излучение, возбуждаемое при появлении напряжения на контакте Джозефсона.

За свое открытие Джозефсон был удостоен Нобелевской премии.

Напомним, что при прохождении через джозеф- соновский контакт тока, величина которого меньше критической, падение напряжения на переходе равно нулю. Если же величина тока превышает критическую, то на переходе возникает падение напряжения.

Значит, элемент Джозефсона имеет два устойчивых состояния: наличие и отсутствие напряжения.

В криотронах Джозефсона, созданных на основе слабой связи, время переключения равно сотым долям наносекунды, что в тысячу раз меньше, чем у пленочных криотронов. Энергия, затрачиваемая на единичное переключение, чрезвычайно мала. Чтобы выразить ее в долях джоуля, пришлось бы после запятой перед первой значащей цифрой написать семнадцать нулей.

Математики в таких случаях применяют сокращенную запись, используя отрицательную степень. Итак, энергия, затрачиваемая на единичное переключение криотрона Джозефсона, равна 10-18 джоулей! При этом на площади в один квадратный сантиметр могут быть размещены свыше тысячи элементов.

Все эти качества слабых сверхпроводников открывают прекрасные перспективы в области разработки новых поколений компьютеров, отличающихся компактностью и быстродействием.

В последнее время в руководствах и справочниках по измерительной технике все чаще можно встретить загадочное для непосвященных слово: сквид.

Что такое сквид?

Это название произошло из начальных букв английских слов SQID (Superconducting Quantum Interference Device), что в переводе на русский язык значит: сверхпроводящее квантовое интерференционное устройство.

Сами квантовые свойства сверхпроводящего состояния были известны задолго до открытия эффекта Джозефсона.

Создание приборов, в которых используется это явление, оказалось возможным лишь после открытия слабой сверхпроводимости.