كيف يتم تطبيق تأثير جوزيفسون في فيزياء الكم

يستخدم التأثير على نطاق واسع في الأجهزة المعرضة جدًا للتغيرات الدقيقة في الجهد ويمكن ملاحظة ذلك في عمل جهاز التدخل الكمي، حيث إن أجهزة التداخل الكمومي فائقة التوصيل، كما أن هذه الأجهزة حساسة للغاية ويمكن أن يكون لها تقلبات بجهد دقيق، إذ تعمل مقاييس المغناطيسية لنفس الجهاز على وجه التحديد من خلال استخدام تأثير جوزيفسون.

تطبيق تأثير جوزيفسون في فيزياء الكم

يعتبر تأثير جوزيفسون أساسيًا لتشغيل جهاز التداخل الكمي فائق التوصيل الذي يسمى بالحبار، وهو كاشف حساس للغاية للمجالات المغناطيسية، حيث يتم استخدامه لقياس الاختلافات الصغيرة في المجال المغناطيسي للأرض وكذلك في جسم الإنسان.

• لماذا يعتبر تقاطع جوزيفسون غير خطي: يعتبر تقاطع جوزيفسون عنصرًا غير خطي رائعًا لأنه يجمع بين تبديد ضئيل مع عدم خطي كبير للغاية، حيث إن تغيير حالة الكيوبت بفوتون واحد فقط في الطاقة يمكنه تعديل محاثة الوصلة من خلال وحدة النظام.

كيف يتم تطبيق تأثير جوزيفسون

في مجال القياس الدقيق يساعد تأثير جوزيفسون بشكل كبير في توفير معدل تحويل قابل للتكرار بدقة فيما يتعلق بالتردد والجهد، حيث يساعد في الحصول على قراءة دقيقة لمعدل التحويل بين التردد والجهد، وفي هذه الحالة يكون التردد موجودًا بالفعل، كما يتم تحديده بدقة من خلال وسيط معيار السيزيوم، حيث يتم استخدام ظاهرة تأثير جوزيفسون الجزئي ماديًا لتوفير تمثيل مقبول وقياسي للفولت في شكل معيار الجهد جوزيفسون.

تتكون الترانزستورات أحادية الإلكترون في الغالب من مواد فائقة التوصيل، وهذا يسمح لهم باستخدام تأثير جوزيفسون الذي يساعدهم في تحقيق التأثيرات المرغوبة والمثلى، كما يمكن رؤية مثال على ذلك في جهاز يسمى ترانزستور أحادي التوصيل فائق التوصيل، حيث يتم استخدام تأثير جوزيفسون أيضًا للحصول على أكثر القياسات دقة للشحنة الأولية، حيث يتم أخذ هذا القياس بناءً على ثابت جوزيفسون وهو مرتبط بتأثير القاعة الكمومية.

تعتمد الأجهزة الإلكترونية الرقمية (RSFQ) أيضًا على تقاطعات جوزيفسون المحولة، وفي هذه الحالة من (RSFQ) حيث يُعزى حدث التبديل أو التغيير في تقاطع جوزيفسون إلى انبعاث كمية التدفق المغناطيسي المفرد، ويساعد هذا في نقل المعلومات الرقمية المقدمة في حالة عدم وجود أي تبديل وهو ما يعادل 0 بينما يحمل حدث التبديل في متغير واحد 1.

إلى جانب ذلك فقد تعتبر تقاطعات جوزيفسون أيضًا آلية عمل متكاملة في الحوسبة بناءً على الكم فائق التوصيل، ويمكن ملاحظة ذلك في الكيوبتات وتحديداً في تدفق كيوبت أو آلية أخرى ذات صلة، حيث تكون المرحلة المذكورة ووظيفة الشحن في شكل متغيرات مترافقة.

تأثيرات جوزيفسون الرئيسية

تأثير DC جوزيفسون

كما يوحي الاسم يرتبط تأثير DC جوزيفسون بعبور التيار المباشر، والذي يمر فوق العازل في حالة عدم وجود مجال كهرومغناطيسي خارجي، حيث يحدث هذا العبور على غياب المجال الكهرومغناطيسي بسبب نفق جوزيفسون، كما يتناسب تيار DC جوزيفسون بشكل مباشر مع الجيب الموجود في مرحلة جوزيفسون، حيث طور جوزيفسون هو فرق طور يدور عبر العازل نفسه والذي يبقى دائمًا كما هو وثابتًا بمرور الوقت.

ومع ذلك فإن تأثير DC جوزيفسون هو في الواقع تيار مباشر يعبر العازل عندما لا يوجد أي نوع من المجال الكهرومغناطيسي الخارجي بسبب النفق، ومع ذلك فإن تيار جوزيفسون DC هذا يعادل جيب طور جوزيفسون وهو فرق طور عبر العازل يكون ثابتًا بمرور الوقت.

تأثير AC جوزيفسون

عندما يكون هناك تقاطع ثابت حول التقاطع فإن المرحلة والقيم الخاصة به ستتغير خطيًا وفقًا للوقت، ونتيجة لذلك سيكون التيار عبارة عن تيار متردد جيبي أي تيار متردد بسعة وتردد معينين، ويستخدم هذا التأثير بشكل أساسي لإثبات أن تقاطع جوزيفسون يمكن أن يعمل أيضًا كمحول دقيق للجهد إلى التردد.

ومع ذلك نظرًا لأن الجهد ثابت عبر التقاطع ستختلف هذه المرحلة خطيًا مع الوقت وسيكون التيار متناوبًا جيبيًا وسيكون له سعة وتردد، ومن ثم يشير هذا إلى أن تقاطع جوزيفسون يمكن أن يعمل أيضًا كجهد مثالي لمحول التردد.

ما هو تأثير جوزيفسون

ربما يكون تأثير جوزيفسون هو الحدوث الذي يحدث عند وجود موصلين فائقين على مقربة ولديهما بعض العوائق بينهما، وعلاوة على ذلك هذا مثال على ظاهرة كمومية مجهرية، ويمكن ملاحظة تأثيرات ميكانيكا الكم على المستوى العادي بدلاً من المقياس الذري.

وبالمثل فإن هذا التأثير له تطبيق عملي لأنه يوضح علاقة دقيقة بين الكميات المختلفة من الفيزياء مثل التردد والجهد والقياسات عالية الدقة، وعلاوة على ذلك فإن تأثير جوزيفسون يبني تيارًا يسمى التيار الفائق.

تدفق هذا التيار الفائق باستمرار دون أي جهد عبر جهاز يسمى تقاطع جوزيفسون، وعلاوة على ذلك يحتوي تقاطع جوزيفسون على اثنين أو أكثر من الموصلات الفائقة مع ارتباط ضعيف، علاوة على ذلك يتم تطبيق تقاطعات جوزيفسون في الدوائر الميكانيكية الكمومية مثل الإلكترونيات الرقمية RSFQ والكيوبت فائقة التوصيل و الحبار.

أين يتم تطبيق تأثير جوزيفسون

يتم تطبيق تأثير جوزيفسون وهو فرق جهد كيميائي ثابت مما يتسبب في تدفق تيار متذبذب عبر الحاجز؛ لأن التردد يتناسب مع فرق الجهد الكيميائي فقط  فإن التيار المتردد يعمل تأثير جوزيفسون كمعيار للجهد.

هناك أنواع من تقاطع جوزيفسون مثل تقاطع جوزيفسون وتقاطع نفق فائق التوصيل وتقاطع جوزيفسون الطويل، ويعتبر تأثير جوزيفسون أساسيًا لتشغيل جهاز التداخل الكمي فائق التوصيل جهاد التداخل الكمي الحبار وهو كاشف حساس للغاية للمجالات المغناطيسية، ويتم استخدامه لقياس الاختلافات الصغيرة في المجال المغناطيسي للأرض وكذلك في جسم الإنسان.

علاوة على ذلك يمكن استخدام عدد تقاطع جوزيفسون لمحرك الأقراص كمعيار لطبيعته المعقدة، ويمكن استخدام تأثير جوزيفسون في العديد من المجالات المختلفة، حيث إن الحبار هو جهاز التداخل الكمي فائق التوصيل وهو مقياس مغناطيسي حساس للغاية يعمل من خلال تأثير جوزيفسون وبالمثل في علم الأرصاد الجوية سيعطي هذا التأثير تحويلًا دقيقًا يحدث بين الجهد والتردد.

ومع ذلك عادة ما يتم تصنيع ترانزستورات الإلكترون الفردي من مواد فائقة التوصيل مما يسمح باستخدام تأثير جوزيفسون للحصول على أفضل تأثير، وعلاوة على ذلك يُعرف الجهاز باسم ترانزستور إلكتروني واحد فائق التوصيل.

يؤدي تقاطع جوزيفسون الوظيفة الرئيسية في الحوسبة الكمومية فائقة التوصيل مثل الكيوبتات تمامًا كما هو الحال في تدفق كيوبت أو في أي مخطط آخر، وقد لوحظ تأثير جوزيفسون في أجهزة التداخل الكمومي للهيليوم فائق الموائع تسمى (SHeQUIDS) والتي هي نظير الهيليوم الفائق المائع في (DC-SQUID).