約瑟夫森效應

約瑟夫森效應（英語：Josephson effect）是一種橫跨約瑟夫森接面的超電流現象。約瑟夫森接面由二個互相微弱連接的超導體組成，而這個微弱連結的組成結構可以是一個薄的絕緣層（稱為超導體–絕緣體–超導體接面，簡稱S-I-S），一小段非超導金屬（簡稱S-N-S），或者是可弱化接觸點超導性的狹窄部分（簡稱S-s-S）。

由美國國家標準技術研究所所研發、作為標準電壓之約瑟夫森接面陣列晶片

約瑟夫森效應是巨觀量子效應的一種體現。它以英國物理學家布賴恩·約瑟夫森命名，這位物理學家在1962年提出了弱連結上的電流與電壓關係式。直流約瑟夫森效應在1962年之前已經在實驗中被發現，但是當時被認為是「超短路」（super-shorts）或者是絕緣層的破損導致超導體之間電子的傳遞。第一篇宣稱發現約瑟夫森效應的實驗論文是由菲利普·安德森和約翰·羅威爾所發表。這篇論文的作者們因此獲得專利，該專利從未被強制執行、但也從未被挑戰。

在約瑟夫森的預測之前，人們僅知道非超導狀態的電子可以藉由量子穿隧效應流過絕緣層。約瑟夫森首次預測了超導狀態下庫柏對的穿隧現象，也因此獲得了1973年諾貝爾物理學獎。約瑟夫森接面在量子線路當中有許多重要的應用，例如超導量子干涉儀（SQUIDs）、超導量子計算以及快速單磁通量子（RSFQ）數位電子設備等。美國國家標準技術研究所對於1伏特的標準是由19,000個串連的約瑟夫森接面陣列所達成的。

特性

約瑟夫森接面的示意圖

每一個約瑟夫森接面都具有一個臨界電流（電流大小與圖中藍綠色部分的寬度和電子能帶結構等有關）。如果流過約瑟夫森接面的電流小於這個臨界電流，則約瑟夫森接面上無電壓降。電流稍大於臨界值，就會發生多重安德烈夫反射。電流大到使結兩邊電壓差超過圖中超導體的帶隙時，電流-電壓關係就變得線性，多重安德烈夫反射消失。

應用

約瑟夫森接面的電路符號

約瑟夫森接面有許多種類，例如pi型約瑟夫森接面、varphi型約瑟夫森接面、長型約瑟夫森接面以及超導穿隧接面等。達依坶橋是一種約瑟夫森接面的薄膜變體，其弱連結由數微米尺度的超導導線所組成。一個裝置的複雜度可用其約瑟夫森接面數作為基準衡量。約瑟夫森效應有廣泛的應用，例如：

• 超導量子干涉儀（SQUIDs），又稱超導量子干涉裝置，是非常敏感的磁強計。這類儀器是藉由約瑟夫森效應運作的，在科學和工程中應用廣泛。
• 當進行精確的計量時，約瑟夫森效應提供了一種具有完全再現性的頻率和電壓轉換。由於頻率已由銫標準明確界定，約瑟夫森效應多用於給出1伏特的標準值，即約瑟夫森電壓標準。然而， 國際度量衡局並沒有因此調整國際單位制。
• 單一電子電晶體通常用超導材料製造，從而可利用約瑟夫森效應實現新穎的效果。這種裝置稱為「超導單電子電晶體」。

約瑟夫森效應也可用於精確測量基本電荷，並以約瑟夫遜常數和馮克利青常數作表示。這二個常數與量子霍爾效應相關。

• RSFQ數位電路是基於並聯的約瑟夫森接面。在這個情況，接面開關與一個帶數位資訊的磁通量量子$\scriptstyle {\frac {1}{2e}}h$的釋放有關。

參見

• 約瑟夫森電流
• 約瑟夫森能量
• 安德烈夫反射
• 金茲堡－朗道方程式
• 量子計算機
• 零點能量

參考文獻

書目

• B. D. Josephson. The discovery of tunnelling supercurrents. Rev. Mod. Phys. 1974, 46 (2): 251–254. 
• Pablo Jalliro-Herrero; et al. Quantum supercurrent transistors in carbon nanotubes. Nature. 2006, 439: 953–956.  引文格式1維護：顯式使用等標籤 (link)