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約瑟夫森效應(yīng)
量子力學(xué)領(lǐng)域的現(xiàn)象
約瑟夫森效應(yīng)（英語：Josephson effect）是一種橫跨約瑟夫森結(jié)的超電流現(xiàn)象。約瑟夫森結(jié)由二個互相微弱連接的超導(dǎo)體組成，而這個微弱連結(jié)的組成結(jié)構(gòu)可以是一個薄的絕緣層（稱為超導(dǎo)體–絕緣體–超導(dǎo)體接面，簡稱S-I-S），一小段非超導(dǎo)金屬（簡稱S-N-S），或者是可弱化接觸點超導(dǎo)性的狹窄部分（簡稱S-s-S）。
基本信息
| 中文名 | 約瑟夫森效應(yīng) |
| 領(lǐng)域 | 量子力學(xué) |
| 外文名 | Josephson effect |
基本介紹
約瑟夫森效應(yīng)
Josephsoneffect
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
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
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
，就始終保持此零電壓現(xiàn)象，稱為約瑟夫森臨界電流。對外磁場十分敏感，甚至地磁場可明顯地影響。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
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
，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
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
，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) |
圖1 |
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)殡妷盒盘枴Ｓ蒙漕l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。
圖2 |
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