约瑟夫森效应
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[a]。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结构可以是一个薄的絕緣層(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狭窄部分(簡稱S-s-S)。
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約瑟夫森效應是巨觀量子效應的一種体现。它以英國物理學家布赖恩·约瑟夫森命名,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[1][2]。直流約瑟夫森效應在1962年之前已經在實驗中被發現[3],但是當時被認為是「超短路」(super-shorts)或者是絕緣層的破损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[4]。這篇論文的作者們因此获得專利,该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年诺贝尔物理学奖[5]。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[6]。
特性
编辑每一个约瑟夫森结都具有一个临界电流(电流大小与图中蓝绿色部分的宽度和电子能带结构等有关)。如果流过约瑟夫森结的电流小于这个临界电流,则约瑟夫森结上无电压降。电流稍大于临界值,就会发生多重安德烈夫反射。电流大到使结两边电压差超过图中超导体的带隙时,电流-电压关系就变得线性,多重安德烈夫反射消失。
應用
编辑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。达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[7][8]。一個裝置的複雜度可用其約瑟夫森接面數作为基準衡量。約瑟夫森效應有廣泛的應用,例如:
參見
编辑註釋
编辑参考文献
编辑腳註
编辑- ^ Josephson, B. D. Possible new effects in superconductive tunnelling. Physics Letters. 1962, 1 (7): 251. doi:10.1016/0031-9163(62)91369-0.
- ^ Josephson, B. D. The discovery of tunnelling supercurrents. Rev. Mod. Phys. 1974, 46 (2): 251–254. Bibcode:1974RvMP...46..251J. doi:10.1103/RevModPhys.46.251.
- ^ Josephson, Brian D. The Discovery of Tunneling Supercurrents (Nobel Lecture) (PDF). 1973-12-12 [2013-02-02]. (原始内容 (PDF)存档于2017-08-09).
- ^ Anderson, P W; Rowell, J M. Probable Observation of the Josephson Tunnel Effect. Phys. Rev. Letters. 1963, 10: 230. Bibcode:1963PhRvL..10..230A. doi:10.1103/PhysRevLett.10.230.
- ^ The Nobel prize in physics 1973. [11-8-18]. (原始内容存档于2018-06-18).
- ^ Steven Strogatz. Sync: The Emerging Science of Spontaneous Order. Hyperion. 2003.
- ^ Anderson, P. W.; Dayem, A. H. Radio-frequency effects in superconducting thin film bridges. Physical Review Letters. 1964, 13 (6): 195. doi:10.1103/PhysRevLett.13.195.
- ^ Dawe, Richard. SQUIDs: A Technical Report - Part 3: SQUIDs. 1998-10-28 [2011-04-21]. (原始内容 (website)存档于2011-07-27).
- ^ SI brochure, section 2.1.: SI base units, section 2.1.1: Definitions. International Bureau of Weights and Measures (BIPM). [2015-06-22]. (原始内容存档于2014-10-07).
- ^ Practical realization of units for electrical quantities (SI brochure, Appendix 2). BIPM. 2007-02-20 [2015-06-22]. (原始内容存档于2021-03-18).
- ^ Fulton, T.A.; et al. Observation of Combined Josephson and Charging Effects in Small Tunnel Junction Circuits. Physical Review Letters. 1989, 63 (12): 1307–1310. Bibcode:1989PhRvL..63.1307F. PMID 10040529. doi:10.1103/PhysRevLett.63.1307.
書目
编辑- 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.