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约瑟夫森效应（量子力学领域的现象）

次浏览 | 更新时间：2023-05-20

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约瑟夫森效应

量子力学领域的现象

约瑟夫森效应（英语：Josephson effect）是一种横跨约瑟夫森结的超电流现象。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，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）。

基本信息

中文名	约瑟夫森效应
领域	量子力学
外文名	Josephson effect

基本介绍

约瑟夫森效应

Josephsoneffect

电子能通过两块超导体之间薄绝缘层的量子隧道效应。1962年由B.D约瑟夫森首先在理论上预言，在不到一年的时间内，P.W.安德森和J.M.罗厄耳等人从实验上证实了约瑟夫森的预言。约瑟夫森效应的物理内容很快得到充实和完善，应用也快速发展，逐渐形成一门新兴学科——超导电子学。

两块超导体通过一绝缘薄层(厚度为10埃左右)连接起来，绝缘层对电子来说是一势垒，一块超导体中的电子可穿过势垒进入另一超导体中，这是特有的量子力学的隧道效应。当绝缘层太厚时，隧道效应不明显，太薄时，两块超导体实际上连成一块，这两种情形都不会发生约瑟夫森效应。绝缘层不太厚也不太薄时称为弱连接超导体。两块超导体夹一层薄绝缘材料的组合称

超导隧道结或约瑟夫森结。约瑟夫森效应主要表现为：

直流约瑟夫森效应结两端的电压

时，结中可存在超导电流，它是由超导体中的库珀对的隧道效应引起的。只要该超导电流小于某一临界电流

，就始终保持此零电压现象，

称为约瑟夫森临界电流。

对外磁场十分敏感，甚至地磁场可明显地影响

。沿结平面加恒定外磁场时，结中的隧道电流密度在结平面的法线方向上产生不均匀的空间分布。改变外磁场时，通过结的超导电流Is随外磁场的增加而周期性地变化，描出与光学中的夫琅和费单缝衍射分布曲线相似的曲线，称为超导隧结的量子衍射现象。

交流约瑟夫森效应结两端的直流电压

时，通过结的电流是一个交变的振荡超导电流，振荡频率（称约瑟夫森频率）f与电压V成正比，即

，e为电子电量，h为普朗克常数，这使超导隧道结具有辐射或吸收电磁波的能力。以微波辐照隧道结时可产生共振现象。连续改变所加的直流电压以改变交流振荡频率，

当约瑟夫森频率f等于微波频率的整数倍时，就发生共振，此时有直流成分的超导电流流过隧道结，在

特性曲线上可观察到一系列离散的阶梯式的恒定电流。测定约瑟夫森频率f，可由电压V测定常量

，或从已知常量e和h精确测定V。

交流约瑟夫森效应已被用来作为电压标准。

约瑟夫森效应

图1

约瑟夫森效应的应用约瑟夫森效应不仅生动地显示了宏观量子力学效应，具有重要的理论意义，而且有广泛的实际应用。利用它可制作超导量子干涉器件，其中最典型的是直流超导量子干涉器件，它是由两个完全相同的约瑟夫森结a和b用超导体并联而成的双结超导环。在环面垂直的方向上加外磁场B，外磁场变化时，流过每个结的超导电流也随B而变，两个超导电流耦合而发生干涉，总的超导电流Is随B而变的曲线如图2下方所示，它相当于光学中的双缝干涉结果。若以直流电流作为双结的偏置电流，结电压将随外磁场的改变作周期性变化，于是利用直流超导量子干涉器件可将磁场信号转变为电压信号。用射频电流偏置单结超导环（超导环中包含一个约瑟夫森结），就构成了射频量子干涉器的核心部分。超导量子干涉器常用来组成超导磁强计、磁梯度计、磁化率计、高灵敏度的检流计和电压计、噪声温度计等。约瑟夫森器件还可用来作为微波和远红外线的探测器和这一波段的混频器。约瑟夫森器件具有开关速度快、功耗低等特点，可组成性能优良的计算机元件。约瑟夫森效应在电子学领域获得了重要应用，形成了超导电子学这门新的分支学科。

图2

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