約瑟夫森結

約瑟夫森結

約瑟夫森結(Josephson junction),或稱為超導隧道結。一般是由兩塊 超導體夾以某種很薄的勢壘層 ( 厚度 ≤ Cooper電子對的相干長度)而構成的結構,例如S(超導體)—I(半導體或絕緣體)—S(超導體)結構,簡稱SIS。在其中超導電子可以通過隧道效應而從一邊穿過半導體或絕緣體薄膜到達另一邊。不過,實際上只要是兩塊弱耦合(耦合區尺寸≤Cooper電子對的相干長度)的超導體都可構成Josephson結,不一定需要採用隧道結的形式。

基本介紹


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

理論描述


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。
約瑟夫森結斷面圖
約瑟夫森結斷面圖
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
約瑟夫森結的電壓-電流特性
約瑟夫森結的電壓-電流特性
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。