約瑟夫森效應(yīng)

約瑟夫森效應(yīng)（漢語拼音：Yuesefusen Xiaoying；英語：Josephson effect），電子能通過兩塊超導(dǎo)體之間薄絕緣層的量子隧道效應(yīng)。1962年由B.D約瑟夫森首先在理論上預(yù)言，在不到一年的時間內(nèi)，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(yù)言。約瑟夫森 效應(yīng)的物理內(nèi)容很快得到充實和完善，應(yīng)用也快速發(fā)展，逐漸形成一門新興學(xué)科——超導(dǎo)電子學(xué)。

兩塊超導(dǎo)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(dǎo)體中的電子可穿過勢壘進(jìn)入另一超導(dǎo)體中，這是特有的量子力學(xué)的隧道效應(yīng)。當(dāng)絕緣層太厚時，隧道效應(yīng)不明顯，太薄時，兩塊超導(dǎo)體實際上連成一塊，這兩種情形都不會發(fā)生約瑟夫森效應(yīng)。絕緣層不太厚也不太薄時稱為弱連接超導(dǎo)體。兩塊超導(dǎo)體夾一層薄絕緣材料的組合稱S-I-S超導(dǎo)隧道結(jié)或約瑟夫森結(jié)。約瑟夫森效應(yīng)主要表現(xiàn)為：

直流約瑟夫森效應(yīng)

結(jié)兩端的電壓V＝0時，結(jié)中可存在超導(dǎo)電流，它是由超導(dǎo)體中的庫珀對的隧道效應(yīng)引起的。只要該超導(dǎo)電流小于某一臨界電流Ic，就始終保持此零電壓現(xiàn)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(jié)平面加恒定外磁場時，結(jié)中的隧道電流密度在結(jié)平面的法線方向上產(chǎn)生不均勻的空間分布。改變外磁場時，通過結(jié)的超導(dǎo)電流Is隨外磁場的增加而周期性地變化， 描出與光學(xué)中的夫瑯和費(fèi)單縫衍射分布曲線相似的曲線，稱為超導(dǎo)隧結(jié)的量子衍射現(xiàn)象。

交流約瑟夫森效應(yīng)

結(jié)兩端的直流電壓V≠0時，通過結(jié)的電流是一個交變的振蕩超導(dǎo)電流，振蕩頻率（稱約瑟夫森頻率）f與電壓V成正比，即f＝V，e為電子電量，h為普朗克常數(shù)，這使超導(dǎo)隧道結(jié)具有輻射或吸收電磁波的能力。以微波輻照隧道結(jié)時可產(chǎn)生共振現(xiàn)象。連續(xù)改變所加的直流電壓以改變交流振蕩頻率，當(dāng)約瑟夫森頻率f等于微波頻率的整數(shù)倍時，就發(fā)生共振，此時有直流成分的超導(dǎo)電流流過隧道結(jié)，在 I-V 特性曲線上可觀察到一系列離散的階 梯式的恒定電流。測定約瑟夫森頻率f，可由電壓V測定常量2e／ h，或從已知常量e和h精確測定V。

交流約瑟夫森效應(yīng)已被用來作為電壓標(biāo)準(zhǔn)。

約瑟夫森效應(yīng)的應(yīng)用

約瑟夫森效應(yīng)不僅生動地顯示了宏觀量子力學(xué)效應(yīng)，具有重要的理論意義，而且有廣泛的實際應(yīng)用。利用它可制作超導(dǎo)量子干涉器件，其中最典型的是直流超導(dǎo)量子干涉器件，它是由兩個完全相同的約瑟夫森結(jié)a和b用超導(dǎo)體并聯(lián)而成的雙結(jié)超導(dǎo)環(huán)。在環(huán)面垂直的方向上加外磁場B，外磁場變化時，流過每個結(jié)的超導(dǎo)電流也隨B而變，兩個超導(dǎo)電流耦合而發(fā)生干涉 ，總的超導(dǎo)電流Is隨B而變的曲線如圖2下方所示，它相當(dāng)于光學(xué)中的雙縫干涉結(jié)果。若以直流電流作為雙結(jié)的偏置電流，結(jié)電壓將隨外磁場的改變作周期性變化，于是利用直流超導(dǎo)量子干涉器件可將磁場信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?。用射頻電流偏置單結(jié)超導(dǎo)環(huán)（超導(dǎo)環(huán)中包含一個約瑟夫森結(jié)），就構(gòu)成了射頻量子干涉器的核心部分。超導(dǎo)量子干涉器常用來組成超導(dǎo)磁強(qiáng)計、磁梯度計、磁化率計、高靈敏度的檢流計和電壓計、噪聲溫度計等。約瑟夫森器件還可用來作為微波和遠(yuǎn)紅外線的探測器和這一波段的混頻器。約瑟夫森器件具有開關(guān)速度快、功耗低等特點，可組成性能優(yōu)良的計算機(jī)元件。約瑟夫森效應(yīng)在電子學(xué)領(lǐng)域獲得了重要應(yīng)用，形成了超導(dǎo)電子學(xué)這門新的分支學(xué)科。