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约瑟夫森效应

约瑟夫森效应（英语：Josephson effect）是一种横跨约瑟夫森结的超电流（英语：supercurrent）现象[a]。约瑟夫森结由二个互相微弱连接的超导体组成，而这个微弱连结的组成结构可以是一个薄的绝缘层（称为超导体–绝缘体–超导体接面（英语：Superconducting tunnel junction），简称S-I-S），一小段非超导金属（简称S-N-S），或者是可弱化接触点超导性的狭窄部分（简称S-s-S）。

由美国国家标准技术研究所所研发、作为标准电压之约瑟夫森结阵列芯片

约瑟夫森效应是宏观量子效应（英语：macroscopic quantum phenomenon）的一种体现。它以英国物理学家布赖恩·约瑟夫森命名，这位物理学家在1962年提出了弱连结上的电流与电压关系式[1][2]。直流约瑟夫森效应在1962年之前已经在实验中被发现[3]，但是当时被认为是“超短路”（super-shorts）或者是绝缘层的破损导致超导体之间电子的传递。第一篇宣称发现约瑟夫森效应的实验论文是由菲利普·安德森和约翰·罗威尔所发表[4]。这篇论文的作者们因此获得专利，该专利从未被强制执行、但也从未被挑战。

在约瑟夫森的预测之前，人们仅知道非超导状态的电子可以借由量子隧穿效应流过绝缘层。约瑟夫森首次预测了超导状态下库柏对的隧穿现象，也因此获得了1973年诺贝尔物理学奖[5]。约瑟夫森结在量子线路当中有许多重要的应用，例如超导量子干涉仪（SQUIDs）、超导量子计算（英语：Superconducting quantum computing）以及快速单磁通量子（英语：Rapid single flux quantum）（RSFQ）数字电子设备等。美国国家标准技术研究所对于1伏特的标准是由19,000个串连的约瑟夫森结阵列（英语：Josephson voltage standard）所达成的[6]。

特性

 
约瑟夫森结的示意图

每一个约瑟夫森结都具有一个临界电流（电流大小与图中蓝绿色部分的宽度和电子能带结构等有关）。如果流过约瑟夫森结的电流小于这个临界电流，则约瑟夫森结上无电压降。电流稍大于临界值，就会发生多重安德烈夫反射。电流大到使结两边电压差超过图中超导体的带隙时，电流-电压关系就变得线性，多重安德烈夫反射消失。

应用

 
约瑟夫森结的电路符号

约瑟夫森结有许多种类，例如pi型约瑟夫森结（英语：pi Josephson junction）、varphi型约瑟夫森结（英语：varphi Josephson junction）、长型约瑟夫森结（英语：long Josephson junction）以及超导隧穿接面（英语：Superconducting tunnel junction）等。达依坶桥是一种约瑟夫森结的薄膜变体，其弱连结由数微米尺度的超导导线所组成[7][8]。一个装置的复杂度可用其约瑟夫森结数（英语：Josephson junction count）作为基准衡量。约瑟夫森效应有广泛的应用，例如：

约瑟夫森效应也可用于精确测量基本电荷，并以约瑟夫逊常数和冯克利青常数作表示。这二个常数与量子霍尔效应相关。

  • RSFQ（英语：RSFQ）数字电路是基于并联的约瑟夫森结。在这个情况，接面开关与一个带数字信息的磁通量量子 的释放有关。

参见

 
维基共享资源上的相关多媒体资源：约瑟夫森效应

注释

  1. ^ 不施加任何电势差就能无限持续流动的电流。

参考文献

脚注

  1. ^ Josephson, B. D. Possible new effects in superconductive tunnelling. Physics Letters. 1962, 1 (7): 251. doi:10.1016/0031-9163(62)91369-0. 
  2. ^ Josephson, B. D. The discovery of tunnelling supercurrents. Rev. Mod. Phys. 1974, 46 (2): 251–254. Bibcode:1974RvMP...46..251J. doi:10.1103/RevModPhys.46.251. 
  3. ^ Josephson, Brian D. The Discovery of Tunneling Supercurrents (Nobel Lecture) (PDF). 1973-12-12 [2013-02-02]. （原始内容 (PDF)存档于2017-08-09）. 
  4. ^ Anderson, P W; Rowell, J M. Probable Observation of the Josephson Tunnel Effect. Phys. Rev. Letters. 1963, 10: 230. Bibcode:1963PhRvL..10..230A. doi:10.1103/PhysRevLett.10.230. 
  5. ^ The Nobel prize in physics 1973. [11-8-18]. （原始内容存档于2018-06-18）. 
  6. ^ Steven Strogatz. Sync: The Emerging Science of Spontaneous Order. Hyperion. 2003. 
  7. ^ Anderson, P. W.; Dayem, A. H. Radio-frequency effects in superconducting thin film bridges. Physical Review Letters. 1964, 13 (6): 195. doi:10.1103/PhysRevLett.13.195. 
  8. ^ Dawe, Richard. SQUIDs: A Technical Report - Part 3: SQUIDs. 1998-10-28 [2011-04-21]. （原始内容 (website)存档于2011-07-27）. 
  9. ^ SI brochure, section 2.1.: SI base units, section 2.1.1: Definitions. International Bureau of Weights and Measures (BIPM). [2015-06-22]. （原始内容存档于2014-10-07）. 
  10. ^ Practical realization of units for electrical quantities (SI brochure, Appendix 2). BIPM. 2007-02-20 [2015-06-22]. （原始内容存档于2021-03-18）. 
  11. ^ Fulton, T.A.; et al. Observation of Combined Josephson and Charging Effects in Small Tunnel Junction Circuits. Physical Review Letters. 1989, 63 (12): 1307–1310. Bibcode:1989PhRvL..63.1307F. PMID 10040529. doi:10.1103/PhysRevLett.63.1307. 

书目

  • B. D. Josephson. The discovery of tunnelling supercurrents. Rev. Mod. Phys. 1974, 46 (2): 251–254. 
  • Pablo Jalliro-Herrero; et al. Quantum supercurrent transistors in carbon nanotubes. Nature. 2006, 439: 953–956. 
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