約瑟夫森結

約瑟夫森結的理論基礎

約瑟夫森結

約瑟夫森結的電壓-電流特性

約瑟夫森結的約瑟夫森效應

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。

約瑟夫森結

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S-I-S超導隧道結或約瑟夫森結。

它的結構如圖所示，上下2層由超導體構成，中間由非常薄的一層絕緣體構成。

約瑟夫森結的電壓-電流特性

當約瑟夫森結兩端的電流，超過它的臨界電流后，它就會轉換到有電壓的狀態同時釋放一個磁通量子。

一個約瑟夫森結的臨界電流是由它的面積所決定的，面積越大，臨界電流值就越高。

現在國際上比較流行的標準有，美國的HYPRES(臨界電流密度是

約瑟夫森結電壓-電流特性(2張)

),日本的SRL()和ADP(). 左圖可見，當電流(紅線)超過100微安的臨界點時，JJ的兩端變成有 電壓狀態，當外部電流減小時，JJ最後還是能回到超導狀態(藍線).如果將一定的電阻並在JJ上，可以達到紅線和藍線重合的效果。並列的電阻值與臨界電流比是3.73。

約瑟夫森結的約瑟夫森效應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Ic，就始終保持此零電壓現象，Ic稱為約瑟夫森臨界電流。Ic對外磁場十分敏感，甚至地磁場可明顯地影響Ic。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V≠0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 I-V 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。