[科普中國]-約瑟夫森效應(yīng)

約瑟夫森效應(yīng)（英語：Josephson effect）是一種橫跨約瑟夫森結(jié)的超電流現(xiàn)象。約瑟夫森結(jié)由二個互相微弱連接的超導(dǎo)體組成，而這個微弱連結(jié)的組成結(jié)構(gòu)可以是一個薄的絕緣層（稱為超導(dǎo)體–絕緣體–超導(dǎo)體接面，簡稱S-I-S），一小段非超導(dǎo)金屬（簡稱S-N-S），或者是可弱化接觸點超導(dǎo)性的狹窄部分（簡稱S-s-S）。

簡介約瑟夫森效應(yīng)（英語：Josephson effect）是一種橫跨約瑟夫森結(jié)的超電流現(xiàn)象。約瑟夫森結(jié)由二個互相微弱連接的超導(dǎo)體組成，而這個微弱連結(jié)的組成結(jié)構(gòu)可以是一個薄的絕緣層（稱為超導(dǎo)體–絕緣體–超導(dǎo)體接面，簡稱S-I-S），一小段非超導(dǎo)金屬（簡稱S-N-S），或者是可弱化接觸點超導(dǎo)性的狹窄部分（簡稱S-s-S）。

約瑟夫森效應(yīng)是宏觀量子效應(yīng)的一種體現(xiàn)。它以英國物理學(xué)家布賴恩·約瑟夫森命名，這位物理學(xué)家在1962年提出了弱連結(jié)上的電流與電壓關(guān)系式。直流約瑟夫森效應(yīng)在1962年之前已經(jīng)在實驗中被發(fā)現(xiàn)，但是當(dāng)時被認為是“超短路”（super-shorts）或者是絕緣層的破損導(dǎo)致超導(dǎo)體之間電子的傳遞。第一篇宣稱發(fā)現(xiàn)約瑟夫森效應(yīng)的實驗論文是由菲利普·安德森和約翰·羅威爾所發(fā)表。這篇論文的作者們因此獲得專利，該專利從未被強制執(zhí)行、但也從未被挑戰(zhàn)。

在約瑟夫森的預(yù)測之前，人們僅知道非超導(dǎo)狀態(tài)的的電子可以借由量子隧穿效應(yīng)流過絕緣層。約瑟夫森首次預(yù)測了超導(dǎo)狀態(tài)下庫柏對的隧穿現(xiàn)象，也因此獲得了1973年諾貝爾物理學(xué)獎。約瑟夫森結(jié)在量子線路當(dāng)中有許多重要的應(yīng)用，例如超導(dǎo)量子干涉儀（SQUIDs）、超導(dǎo)量子計算以及快速單磁通量子（RSFQ）數(shù)字電子設(shè)備等。美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所對于1伏特的標(biāo)準(zhǔn)是由19,000個串連的約瑟夫森結(jié)陣列所達成的。1

特性每一個約瑟夫森結(jié)都具有一個臨界電流（電流大小與圖中藍綠色部分的寬度和電子能帶結(jié)構(gòu)等有關(guān)）。如果流過約瑟夫森結(jié)的電流小于這個臨界電流，則約瑟夫森結(jié)上無電壓降。電流稍大于臨界值，就會發(fā)生多重安德烈夫反射。電流大到使結(jié)兩邊電壓差超過圖中超導(dǎo)體的帶隙時，電流-電壓關(guān)系就變得線性，多重安德烈夫反射消失。1

應(yīng)用約瑟夫森結(jié)有許多種類，例如pi型約瑟夫森結(jié)、varphi型約瑟夫森結(jié)、長型約瑟夫森結(jié)以及超導(dǎo)隧穿接面等。達依坶橋是一種約瑟夫森結(jié)的薄膜變體，其弱連結(jié)由數(shù)微米尺度的超導(dǎo)導(dǎo)線所組成。一個裝置的復(fù)雜度可用其約瑟夫森結(jié)數(shù)作為基準(zhǔn)衡量。約瑟夫森效應(yīng)有廣泛的應(yīng)用，例如：

超導(dǎo)量子干涉儀（SQUIDs），又稱超導(dǎo)量子干涉裝置，是非常敏感的磁強計。這類儀器是借由約瑟夫森效應(yīng)運作的，在科學(xué)和工程中應(yīng)用廣泛。

當(dāng)進行精確的計量時，約瑟夫森效應(yīng)提供了一種具有完全再現(xiàn)性的頻率和電壓轉(zhuǎn)換。由于頻率已由銫標(biāo)準(zhǔn)明確界定，約瑟夫森效應(yīng)多用于給出1伏特的標(biāo)準(zhǔn)值，即約瑟夫森電壓標(biāo)準(zhǔn)。然而，國際度量衡局并沒有因此調(diào)整國際單位制。

單一電子晶體管通常用超導(dǎo)材料制造，從而可利用約瑟夫森效應(yīng)實現(xiàn)新穎的效果。這種裝置稱為“超導(dǎo)單電子晶體管”。

約瑟夫森效應(yīng)也可用于精確測量基本電荷，并以約瑟夫遜常數(shù)和馮克利青常數(shù)作表示。這二個常數(shù)與量子霍爾效應(yīng)相關(guān)。

RSFQ數(shù)字電路是基于并聯(lián)的約瑟夫森結(jié)。在這個情況，接面開關(guān)與一個帶數(shù)字信息的磁通量量子的釋放有關(guān)。2

參見約瑟夫森電流

約瑟夫森能量

安德烈夫反射

金茲堡－朗道方程

量子計算機

零點能量

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

杜強 - 高級工程師 - 中國科學(xué)院工程熱物理研究所