Les principes
Nous n’avons discuté jusqu’ici que des propriétés macroscopiques des supraconducteurs auxquelles sont associés l’état de résistance nulle et l’effet Meissner. Nous allons maintenant nous concentrer sur les propriétés communément référencées dans la mécanique quantique et les propriétés microscopiques.
L’effet tunnel :
Un exemple des propriétés microscopiques est le phénomène de l’effet tunnel dans les supraconducteurs. L’effet tunnel est un processus résultant de la nature ondulatoire de l'électron. Cet effet se produit lorsque des électrons traversent des espaces qui leur sont interdits en physique classique, à cause de barrières de potentiel. L’effet tunnel sur une paire d'électrons, entre 2 supraconducteurs séparés par une barrière isolante, a été découvert la première fois par Brian Josephson en 1962.
Josephson a découvert que si deux métaux supraconducteurs étaient séparés par une barrière isolante mince, comme une couche d’oxyde épaisse de 10 à 20 Angströms (Unité de longueur, notée Å, égale au dix-milliardième de mètre : 10-10 m), il est possible que les paires d'électrons passent par la barrière sans résistance (fig.12). Ceci est connu comme effet courant continu (c.c) de Josephson, et est contraire à ce qui se produit dans les matériaux ordinaires, où une différence de potentiel doit exister pour qu'un courant passe (c'est-à-dire un zone polarisée négativement et l’autre positivement). Le courant qui traverse une jonction c.c de Josephson a une densité de courant critique Jc qui dépend du matériau de la jonction ainsi que de sa géométrie.
Une jonction de Josephson se compose de deux supraconducteurs séparés par une barrière isolante mince. Les paires d'électrons supraconducteurs perceront un tunnel dans cette barrière. Aussi longtemps que le courant est au-dessous du courant critique pour la jonction, il y aura résistance nulle et on n’observera aucune chute de tension à travers la jonction.
Si elle est placée à côté d'un fil dans lequel passe un courant, le champ magnétique généré par ce fil abaissera la densité de courant critique Jc de la jonction. Le courant qui passe alors par la jonction ne change pas mais devient plus grand que le courant critique, qui a été abaissé.
La jonction développe alors une résistance qui entraîne une dissipation du courant (essentiellement par effet Joule). Les schémas 12 et 13 (fig.12/13) démontrent l'effet de Josephson et une jonction de Josephson.
fig.12/13
La jonction de Josephson est un composant de commutation ultrarapide. Les jonctions de Josephson peuvent exécuter des fonctions de commutation telles que des commutations de voltages environ dix fois plus rapides que les circuits semi-conducteurs ordinaires. C'est un avantage notable pour les ordinateurs, qui dépendent de la vitesse de commutation on-off. Puisque la vitesse d'un ordinateur dépend du temps requis pour transmettre des impulsions de signal, la vitesse exceptionnelle de la commutation des dispositifs de jonction les rend idéales pour l'usage dans des ordinateurs rapides et beaucoup plus petits.