約瑟夫森效應

約瑟夫森效應

Josephson effect

電子能通過兩塊超導體之間薄絕緣層的量子隧道效應。1962年由B.D約瑟夫森首先在理論上預言，在不到一年的時間內，P.W.安德森和J.M.羅厄耳等人從實驗上證實了約瑟夫森的預言。約瑟夫森 效應的物理內容很快得到充實和完善，應用也快速發展，逐漸形成一門新興學科——超導電子學。

兩塊超導體通過一絕緣薄層(厚度為10埃左右)連接起來，絕緣層對電子來說是一勢壘，一塊超導體中的電子可穿過勢壘進入另一超導體中，這是特有的量子力學的隧道效應。當絕緣層太厚時，隧道效應不明顯，太薄時，兩塊超導體實際上連成一塊，這兩種情形都不會發生約瑟夫森效應。絕緣層不太厚也不太薄時稱為弱連接超導體。兩塊超導體夾一層薄絕緣材料的組合稱超導隧道結或約瑟夫森結。約瑟夫森效應主要表現為：

直流約瑟夫森效應結兩端的電壓時，結中可存在超導電流，它是由超導體中的庫珀對的隧道效應引起的。只要該超導電流小於某一臨界電流，就始終保持此零電壓現象，稱為約瑟夫森臨界電流。對外磁場十分敏感，甚至地磁場可明顯地影響。沿結平面加恆定外磁場時，結中的隧道電流密度在結平面的法線方向上產生不均勻的空間分佈。改變外磁場時，通過結的超導電流Is隨外磁場的增加而周期性地變化，描出與光學中的夫琅和費單縫衍射分佈曲線相似的曲線，稱為超導隧結的量子衍射現象。

交流約瑟夫森效應結兩端的直流電壓時，通過結的電流是一個交變的振蕩超導電流，振蕩頻率（稱約瑟夫森頻率）f與電壓V成正比，即，e為電子電量，h為普朗克常數，這使超導隧道結具有輻射或吸收電磁波的能力。以微波輻照隧道結時可產生共振現象。連續改變所加的直流電壓以改變交流振蕩頻率，

當約瑟夫森頻率f等於微波頻率的整數倍時，就發生共振，此時有直流成分的超導電流流過隧道結，在 特性曲線上可觀察到一系列離散的階 梯式的恆定電流。測定約瑟夫森頻率f，可由電壓V測定常量，或從已知常量e和h精確測定V。

交流約瑟夫森效應已被用來作為電壓標準。

約瑟夫森效應的應用 約 瑟夫森效應不僅生動地顯示了宏觀量子力學效應，具有重要的理論意義，而且有廣泛的實際應用。利用它可製作超導量子干涉器件，其中最典型的是直流超導量子干涉器件，它是由兩個完全相同的約瑟夫森結a和b用超導體並聯而成的雙結超導環。在環面垂直的方向上加外磁場B，外磁場變化時，流過每個結的超導電流也隨B而變，兩個超導電流耦合而發生干涉，總的超導電流Is隨B而變的曲線如圖2下方所示，它相當於光學中的雙縫干涉結果。若以直流電流作為雙結的偏置電流，結電壓將隨外磁場的改變作周期性變化，於是利用直流超導量子干涉器件可將磁場信號轉變為電壓信號。用射頻電流偏置單結超導環（超導環中包含一個約瑟夫森結），就構成了射頻量子干涉器的核心部分。超導量子干涉器常用來組成超導磁強計、磁梯度計、磁化率計、高靈敏度的檢流計和電壓計、雜訊溫度計等。約瑟夫森器件還可用來作為微波和遠紅外線的探測器和這一波段的混頻器。約瑟夫森器件具有開關速度快、功耗低等特點，可組成性能優良的計算機元件。約瑟夫森效應在電子學領域獲得了重要應用，形成了超導電子學這門新的分支學科。