约瑟夫森效应

在物理学中，约瑟夫森效应是当两个超导体靠近放置时发生的一种现象，它们之间存在某种障碍或限制。 这是宏观量子现象的一个例子，其中量子力学的影响可以在普通尺度而非原子尺度上观察到。 约瑟夫森效应具有许多实际应用，因为它展示了不同物理量（例如电压和频率）之间的精确关系，有助于高精度测量。

约瑟夫森效应产生称为超电流的电流，该电流在没有施加任何电压的情况下连续流过称为约瑟夫森结 (JJ) 的设备。 它们由两个或多个通过薄弱环节耦合的超导体组成。 薄弱环节可以是薄绝缘屏障（称为超导体-绝缘体-超导体结，或 S-I-S）、一小段非超导金属（S-N-S），或削弱接触点超导性的物理收缩（ S-C-S）。

约瑟夫森结在量子力学电路中具有重要应用，例如 SQUID、超导量子位和 RSFQ 数字电子学。 1 伏特的 NIST 标准是通过 20,208 个串联的约瑟夫森结阵列实现的。

约瑟夫森效应以物理学家布赖恩大卫约瑟夫森的名字命名，他于 1962 年预测了薄弱环节上电流和电压的数学关系。 直流约瑟夫森效应曾在 1962 年之前的实验中出现过，但被归因于超短路或绝缘屏障的破口，导致电子在超导体之间直接传导。 第 一篇宣称发现约瑟夫森效应并进行必要的实验检验的论文是菲利普安德森和约翰罗威尔的论文。 这些作者获得了从未强制执行但从未受到质疑的效果的专利。

在约瑟夫森做出预测之前，人们只知道单个（即非成对）电子可以通过量子隧道效应流过绝缘势垒。 约瑟夫森是第 一个预测超导库珀对隧道效应的人。 由于这项工作，约瑟夫森获得了 1973 年的诺贝尔物理学奖。

约瑟夫森结的类型包括φ约瑟夫森结（其中π约瑟夫森结是特例）、长约瑟夫森结和超导隧道结。 Dayem 桥是约瑟夫森结的薄膜变体，其中薄弱环节由尺寸为几微米或更小的超导线组成。 设备的约瑟夫森结计数用作其复杂性的基准。 约瑟夫森效应有广泛的用途，例如在以下领域。

SQUID 或超导量子干涉装置是非常灵敏的磁力计，通过约瑟夫森效应运行。 它们广泛应用于科学和工程领域。

在精密计量学中，约瑟夫森效应提供频率和电压之间精确可重复的转换。 由于铯标准已经精确且实际地定义了频率，因此出于大多数实际目的，使用约瑟夫森效应来给出伏特的标准表示，即约瑟夫森电压标准。

单电子晶体管通常由超导材料构成，允许使用约瑟夫森效应来实现新颖的效果。 由此产生的装置称为超导单电子晶体管。

约瑟夫森效应还用于根据与量子霍尔效应相关的约瑟夫森常数和冯克利青常数最精确地测量基本电荷。

RSFQ 数字电子设备基于分流约瑟夫森结。 在这种情况下，结切换事件与一个携带数字信息的磁通量量子 1 2 e h {displaystyle scriptstyle {frac {1}{2e}}h} 的发射有关：缺少 switching 相当于 0，而一个 switching event 携带 1。

约瑟夫森结在超导量子计算中作为量子位是不可或缺的，例如在通量量子位或其他方案中，其中相位和电荷充当共轭变量。

超导隧道结探测器 (STJ) 可能会在几年内成为 CCD（电荷耦合器件）的可行替代品，用于天文学和天体物理学。 这些设备在从紫外线到红外线以及 X 射线的广泛光谱范围内均有效。 该技术已在 SCAM 仪器中的威廉.赫歇耳（William Herschel）望远镜上进行了试验。

Quiterons 和类似的超导开关设备。

约瑟夫森效应也在超流氦量子干涉装置（SHeQUIDs）中被观察到，它是 dc-SQUID 的超流氦类似物。