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Tunneleffekte in Supraleitern

Festkörperphysik, Tunneln von Elektronen von/zu einem Supraleiter durch einen Tunnelübergang. Die besonderen Tunneleffekte entstehen durch das Vorhandensein der Energielücke Tunneleffekte in Supraleitern und die modifizierte Zustandsdichte für normalleitende Quasiteilchen im Supraleiter.

a) Einteilchen-Tunneln am Kontakt Supraleiter-Normalleiter: Werden beide Materialien in Kontakt gebracht, so gleicht sich zunächst das Fermi-Niveau (Fermi-Energie) des Normalleiters der Energie des Grundzustands nach der BCS-Theorie des Supraleiters an. Elektronen tunneln in den Supraleiter und kondensieren dort zu Paaren. Legt man nun an den Tunnelkontakt eine Spannung Tunneleffekte in Supraleitern an, fliesst (bei T = 0) kein Tunnelstrom. Ist die Spannung so gepolt, dass das Fermi-Niveau des Normalleiters angehoben wird, kann kein Elektron in den Supraleiter tunneln, da in der Energielücke keine Zustände vorhanden sind (siehe Abb. 1). Bei umgekehrter Polung kann ebenfalls kein Elektron in den Normalleiter hineintunneln, da hier zwar Zustände frei sind, für diesen Prozess jedoch ein Cooper-Paar aufgebrochen werden müsste, wobei für das zweite, dann freie Elektron die Energie nicht ausreicht, um es in das Band der Quasiteilchen zu heben (siehe Abb. 2). Falls die Spannung nun auf Tunneleffekte in Supraleitern erhöht wird, setzt (bei T = 0) schlagartig ein sehr steiler Anstieg des Stromes ein, wobei der Anstieg proportional der Zustandsdichte des Supraleiters ist. (Tunneleffekte in Supraleitern). Für sehr grosse Spannungen geht das Spannungs-Strom-Diagramm asymptotisch gegen das Verhalten eines Tunnelkontaktes Normalleiter-Normalleiter. Bei endlichen Temperaturen sind im Supraleiter angeregte Teilchen vorhanden, die für einen schwachen Tunnelstrom auch bei Tunneleffekte in Supraleitern verantwortlich sind (siehe Abb. 3).

b) Einteilchen-Tunneln am Kontakt Supraleiter-Supraleiter: Im Prinzip gelten hier ähnliche Verhältnisse wie beim Kontakt Supraleiter-Normalleiter. Beim Kontakt gleichen sich die BCS-Grundzustände energetisch an. Der Tunnelprozess selbst ist etwas komplizierter: Zum Aufbrechen eines Cooper-Paares muss zunächst die Energie Tunneleffekte in Supraleitern aufgewendet werden, und der BCS-Grundzustand muss um Tunneleffekte in Supraleitern nach oben verschoben sein, damit das Elektron in einen freien Zustand hineintunneln kann. Der Tunnelstrom setzt daher (bei T = 0) erst bei Tunneleffekte in Supraleitern ein. Bei endlichen Temperaturen können auch hier abgeregte Teilchen aus dem Quasiteilchenband tunneln. Der Tunnelstrom bei T > 0 hat ein kleines Maximum bei Tunneleffekte in Supraleitern, da bei dieser Spannung die Kanten der Quasiteilchenbänder zusammenfallen und somit sehr viele freie besetzbare Zustände vorhanden sind (siehe Abb. 4).

c) Paar-Tunneln am Kontakt Supraleiter-Supraleiter: Bei einer sehr dünnen Tunnelschicht (weak link) reicht die Wellenfunktion eines Supraleiters in den anderen hinein. In diesem Fall können dann auch Cooper-Paare als Ganzes tunneln, was zu einer Kopplung der beiden Wellenfunktionen führt. Zu den hier auftretenden Effekten gehören die Josephson-Effekte bei Josephson-Kontakten.

Das Tunnelexperiment mit einem Supraleiter ist eines der grundlegenden Experimente zum Verständnis und zur Charakterisierung des supraleitenden Zustandes. Über die Strom-Spannungs-Kennlinie ist sowohl Existenz als auch Grösse der Energielücke nachgewiesen, und über den Stromanstieg kann die Zustandsdichte im Quasiteilchenband ausgemessen werden.

Tunneleffekte in Supraleitern

Tunneleffekte bei Supraleitern 1: Zustandsdichtediagramm Tunnelkontakt SL/NL mit Tunneleffekte in Supraleitern. Im SL BCS-Grundzustand und Quasiteilchenband, im NL Zustandsdichte und Fermi-Niveau normaler Elektronen. Tunneln ist nicht möglich, da keine Zustände in der Energielücke des SL.

Tunneleffekte in Supraleitern

Tunneleffekte bei Supraleitern 2: Verhältnisse bei anderer Polung. Ein Tunneln ist nicht möglich, da die Energie zum Heben eines Elektrons in das Quasiteilchenband nicht ausreicht.

Tunneleffekte in Supraleitern

Tunneleffekte bei Supraleitern 3: Strom-Spannungs-Diagramm für einen Kontakt zwischen einem Supraleiter (SL) und einem Normalleiter (NL);. a) normaler Tunnelstrom zwischen NL/NL b) Einsetzen bei Tunneleffekte in Supraleitern bei T=0 c) Tunnelstrom SL/NL bei Tunneleffekte in Supraleitern (D: Bandlücke des Supraleiters).

Tunneleffekte in Supraleitern

Tunneleffekte bei Supraleitern 4: Strom-Spannungs-Diagramm für einen Kontakt zwischen zwei Supraleitern 1 und 2. a) und b) wie in Abb. 3; c) Tunnelstrom SL/SL mit kleinem Maximum bei Tunneleffekte in Supraleitern bei Tunneleffekte in Supraleitern durch Tunneln angeregter Quasiteilchen.

 

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