约瑟夫森结的理论基础

约瑟夫森结

约瑟夫森结的电压-电流特性

约瑟夫森结的约瑟夫森效应

约瑟夫森结理论

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。

约瑟夫森结

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S-I-S超导隧道结或约瑟夫森结。它的结构如图所示，上下2层由超导体构成，中间由非常薄的一层绝缘体构成。

约瑟夫森结的电压-电流特性

当约瑟夫森结两端的电流，超过它的临界电流后，它就会转换到有电压的状态同时释放一个磁通量子。

一个约瑟夫森结的临界电流是由它的面积所决定的，面积越大，临界电流值就越高。

现在国际上比较流行的标准有，美国的HYPRES(临界电流密度是4.5KA/CM2),日本的SRL(2.5KA/CM2)和ADP(10KA/CM2). 左图可见，当电流(红线)超过100微安的临界点时，JJ的两端变成有 电压状态，当外部电流减小时，JJ最后还是能回到超导状态(蓝线).如果将一定的电阻并在JJ上，可以达到红线和蓝线重合的效果。 并列的电阻值与临界电流比是3.73。

约瑟夫森结的约瑟夫森效应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V=0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Ic，就始终保持此零电压现象，Ic称为约瑟夫森临界电流。Ic对外磁场十分敏感，甚至地磁场可明显地影响Ic。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V≠0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f=V，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 I-V 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2e/ h，或从已知常量e和h精确测定V。