約瑟夫森效應（量子力學(xué)領(lǐng)域的現象）
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約瑟夫森效應
量子力學(xué)領(lǐng)域的現象
基本信息
| 中文名 | 約瑟夫森效應 |
| 領(lǐng)域 | 量子力學(xué) |
| 外文名 | Josephson effect |
基本介紹
約瑟夫森效應
Josephsoneffect
電子能通過(guò)兩塊超導體之間薄絕緣層的量子隧道效應。1962年由B.D約瑟夫森首先在理論上預言，在不到一年的時(shí)間內，P.W.安德森和J.M.羅厄耳等人從實(shí)驗上證實(shí)了約瑟夫森的預言。約瑟夫森效應的物理內容很快得到充實(shí)和完善，應用也快速發(fā)展，逐漸形成一門(mén)新興學(xué)科——超導電子學(xué)。
兩塊超導體通過(guò)一絕緣薄層(厚度為10埃左右)連接起來(lái)，絕緣層對電子來(lái)說(shuō)是一勢壘，一塊超導體中的電子可穿過(guò)勢壘進(jìn)入另一超導體中，這是特有的量子力學(xué)的隧道效應。當絕緣層太厚時(shí)，隧道效應不明顯，太薄時(shí)，兩塊超導體實(shí)際上連成一塊，這兩種情形都不會(huì )發(fā)生約瑟夫森效應。絕緣層不太厚也不太薄時(shí)稱(chēng)為弱連接超導體。兩塊超導體夾一層薄絕緣材料的組合稱(chēng)
超導隧道結或約瑟夫森結。約瑟夫森效應主要表現為：
直流約瑟夫森效應結兩端的電壓
時(shí)，結中可存在超導電流，它是由超導體中的庫珀對的隧道效應引起的。只要該超導電流小于某一臨界電流
，就始終保持此零電壓現象，稱(chēng)為約瑟夫森臨界電流。對外磁場(chǎng)十分敏感，甚至地磁場(chǎng)可明顯地影響。沿結平面加恒定外磁場(chǎng)時(shí)，結中的隧道電流密度在結平面的法線(xiàn)方向上產(chǎn)生不均勻的空間分布。改變外磁場(chǎng)時(shí)，通過(guò)結的超導電流Is隨外磁場(chǎng)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(xiàn)相似的曲線(xiàn)，稱(chēng)為超導隧結的量子衍射現象。
交流約瑟夫森效應結兩端的直流電壓
時(shí)，通過(guò)結的電流是一個(gè)交變的振蕩超導電流，振蕩頻率（稱(chēng)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，這使超導隧道結具有輻射或吸收電磁波的能力。以微波輻照隧道結時(shí)可產(chǎn)生共振現象。連續改變所加的直流電壓以改變交流振蕩頻率，
當約瑟夫森頻率f等于微波頻率的整數倍時(shí)，就發(fā)生共振，此時(shí)有直流成分的超導電流流過(guò)隧道結，在
特性曲線(xiàn)上可觀(guān)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。
交流約瑟夫森效應已被用來(lái)作為電壓標準。
 約瑟夫森效應 |
圖1 |
約瑟夫森效應的應用約瑟夫森效應不僅生動(dòng)地顯示了宏觀(guān)量子力學(xué)效應，具有重要的理論意義，而且有廣泛的實(shí)際應用。利用它可制作超導量子干涉器件，其中最典型的是直流超導量子干涉器件，它是由兩個(gè)完全相同的約瑟夫森結a和b用超導體并聯(lián)而成的雙結超導環(huán)。在環(huán)面垂直的方向上加外磁場(chǎng)B，外磁場(chǎng)變化時(shí)，流過(guò)每個(gè)結的超導電流也隨B而變，兩個(gè)超導電流耦合而發(fā)生干涉，總的超導電流Is隨B而變的曲線(xiàn)如圖2下方所示，它相當于光學(xué)中的雙縫干涉結果。若以直流電流作為雙結的偏置電流，結電壓將隨外磁場(chǎng)的改變作周期性變化，于是利用直流超導量子干涉器件可將磁場(chǎng)信號轉變?yōu)殡妷盒盘枴Ｓ蒙漕l電流偏置單結超導環(huán)（超導環(huán)中包含一個(gè)約瑟夫森結），就構成了射頻量子干涉器的核心部分。超導量子干涉器常用來(lái)組成超導磁強計、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(lái)作為微波和遠紅外線(xiàn)的探測器和這一波段的混頻器。約瑟夫森器件具有開(kāi)關(guān)速度快、功耗低等特點(diǎn)，可組成性能優(yōu)良的計算機元件。約瑟夫森效應在電子學(xué)領(lǐng)域獲得了重要應用，形成了超導電子學(xué)這門(mén)新的分支學(xué)科。
圖2 |
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