[科普中國]-約瑟夫森效應

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

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

約瑟夫森效應是宏觀量子效應的一種體現(xiàn)。它以英國物理學家布賴恩·約瑟夫森命名，這位物理學家在1962年提出了弱連結上的電流與電壓關系式。直流約瑟夫森效應在1962年之前已經(jīng)在實驗中被發(fā)現(xiàn)，但是當時被認為是“超短路”（super-shorts）或者是絕緣層的破損導致超導體之間電子的傳遞。第一篇宣稱發(fā)現(xiàn)約瑟夫森效應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)。

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

特性每一個約瑟夫森結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構等有關）。如果流過約瑟夫森結的電流小于這個臨界電流，則約瑟夫森結上無電壓降。電流稍大于臨界值，就會發(fā)生多重安德烈夫反射。電流大到使結兩邊電壓差超過圖中超導體的帶隙時，電流-電壓關系就變得線性，多重安德烈夫反射消失。1

應用約瑟夫森結有許多種類，例如pi型約瑟夫森結、varphi型約瑟夫森結、長型約瑟夫森結以及超導隧穿接面等。達依坶橋是一種約瑟夫森結的薄膜變體，其弱連結由數(shù)微米尺度的超導導線所組成。一個裝置的復雜度可用其約瑟夫森結數(shù)作為基準衡量。約瑟夫森效應有廣泛的應用，例如：

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

當進行精確的計量時，約瑟夫森效應提供了一種具有完全再現(xiàn)性的頻率和電壓轉換。由于頻率已由銫標準明確界定，約瑟夫森效應多用于給出1伏特的標準值，即約瑟夫森電壓標準。然而，國際度量衡局并沒有因此調整國際單位制。

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

約瑟夫森效應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)與量子霍爾效應相關。

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

本詞條內容貢獻者為:

杜強 - 高級工程師 - 中國科學院工程熱物理研究所