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约瑟夫逊效应

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公式 符号高斯,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。