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接面的超电流现象。约瑟夫森接面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，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接面阵列晶片

约瑟夫森效应是巨观量子效应的一种体现。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。直流约瑟夫森效应在1962年之前已经在实验中被发现，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。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穿隧效应流过绝缘层。约瑟夫森首次预测了超导状态下库柏对的穿隧现象，也因此获得了1973年诺贝尔物理学奖。约瑟夫森接面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）、超导量子计算以及快速单磁通量子（RSFQ）数位电子设备等。美国国家标准技术研究所对于1伏特的标准是由19,000个串连的约瑟夫森接面阵列所达成的。

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

约瑟夫森接面的电路符号

约瑟夫森接面有许多种类，例如pi型约瑟夫森接面、varphi型约瑟夫森接面、长型约瑟夫森接面以及超导穿隧接面等。达依坶桥是一种约瑟夫森接面的薄膜变体，其弱连结由数微米尺度的超导导线所组成。一个装置的复杂度可用其约瑟夫森接面数作为基准衡量。约瑟夫森效应有广泛的应用，例如：

• 超导量子干涉仪（SQUIDs），又称超导量子干涉装置，是非常敏感的磁强计。这类仪器是借由约瑟夫森效应运作的，在科学和工程中应用广泛。
• 当进行精确的计量时，约瑟夫森效应提供了一种具有完全再现性的频率和电压转换。由于频率已由铯标准明确界定，约瑟夫森效应多用于给出1伏特的标准值，即约瑟夫森电压标准。然而， 国际度量衡局并没有因此调整国际单位制。
• 单一电子晶体管通常用超导材料制造，从而可利用约瑟夫森效应实现新颖的效果。这种装置称为“超导单电子晶体管”。

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数位电路是基于并联的约瑟夫森接面。在这个情况，接面开关与一个带数位资讯的磁通量量子$\scriptstyle {\frac {1}{2e}}h$的释放有关。

参见

• 约瑟夫森电流
• 约瑟夫森能量
• 安德烈夫反射
• 金兹堡－朗道方程
• 量子计算机
• 零点能量

参考文献

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.  引文格式1维护：显式使用等标签 (link)