什么是约瑟夫逊效应?

[拼音]：Yusefuxun xiaoying

[外文]：Josephson effect

超导电子对借量子隧道效应通过两块超导体之间的绝缘层的现象。如果两块金属之间有极小的间隙或极薄的绝缘层（如氧化层），当两块金属加有电压时，根据经典力学，它们之间不会有电流通过；根据量子力学，电子仍有一定的几率穿过势垒，形成电流，这种现象称为隧道效应。这种结构称为隧道结。1962年，B.D.约瑟夫逊计算了两边都是超导体结的隧道效应，得到以下重要结果：

（1）在超导结中电子对可以通过氧化层形成超导电流，而结上并不出现电压，称为直流约瑟夫逊效应。在外磁场中，超导结的最大超导电流随磁场出现规律性的变化。

（2）当结上加有电压U时，产生高频超导电流，效率为2电子伏／时，这称为交流约瑟夫逊效应。

1963年，C.D.安德森和J.H.罗厄尔在实验中观察到直流约瑟夫逊效应。罗厄尔又在实验中证实了最大超导电流与磁场的关系，约瑟夫逊的理论遂得到完全的证实。

约瑟夫逊效应的物理机制是：超导态是一种新的长程有序相，这时电子凝聚成电子对。电子对可用序参量φ(r)描写。φ(r)的位相φ表征超导长程序，在某点确定它的值后，其他点的值也就确定了。大块超导体内部电流和矢势等于零，位相与坐标无关，是一个常数。如果中间氧化层相当厚，位相相关被破坏，φ1与φ2无关。如果中间氧化层足够薄，则两边的波函数渗入氧化层而互相关联起来。当位相差不为零时，氧化层附近的波函数必然波动，引起电子对的流动。当φ1-φ2为常数时，有零压电流通过结，即发生直流约瑟夫逊效应。

约瑟夫逊效应主要用于：

（1）用约瑟夫逊效应制成高灵敏度磁强计，灵敏度达10


高斯，可测量人体心脏跳动和人脑内部的磁场变化，作出“心磁图”和“脑磁图”。在物理研究和地质探矿等方面也得到应用。

（2）在计量方面，70年代初期研制出电压基准监视系统。约瑟夫逊效应还用于制作高精度检流计、电压比较仪、电流比较仪和用于射频电压、电流、功率及衰减的精密测量。

（3）用作毫米波、亚毫米波的检波器和混频器，其优点是噪声低、频带宽、损耗小。

（4）约瑟夫逊结可用作计算机中的开关和记忆元件。开关速度已达到10皮秒，功耗也很小。