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約瑟夫森效應

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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(英語:Josephson effect)是一種橫跨約瑟夫森接面超電流英語supercurrent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–超導體接面英語Superconducting tunnel junction,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)。

約瑟夫森效應是巨觀量子效應英語macroscopic quantum phenomenon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[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[4]。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[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)、超導量子計算英語Superconducting quantum computing以及快速單磁通量子英語Rapid single flux quantumRSFQ)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英語Josephson voltage standard所達成的[6]

特性

約瑟夫森結的示意圖

每一個約瑟夫森結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)。如果流過約瑟夫森結的電流小於這個臨界電流,則約瑟夫森結上無電壓降。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型約瑟夫森接面英語pi Josephson junctionvarphi型約瑟夫森接面英語varphi Josephson junction長型約瑟夫森接面英語long Josephson junction以及超導穿隧接面英語Superconducting tunnel junction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[7][8]。一個裝置的複雜度可用其約瑟夫森接面數英語Josephson junction count作為基準衡量。約瑟夫森效應有廣泛的應用,例如:

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英語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的釋放有關。

參見

註釋

  1. ^ 不施加任何電位差就能無限持續流動的電流。

參考文獻

腳註

  1. ^ Josephson, B. D. Possible new effects in superconductive tunnelling. Physics Letters. 1962, 1 (7): 251. doi:10.1016/0031-9163(62)91369-0. 
  2. ^ 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. 
  3. ^ Josephson, Brian D. The Discovery of Tunneling Supercurrents (Nobel Lecture) (PDF). 1973-12-12 [2013-02-02]. (原始內容 (PDF)存檔於2017-08-09). 
  4. ^ 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. 
  5. ^ The Nobel prize in physics 1973. [11-8-18]. (原始內容存檔於2018-06-18). 
  6. ^ Steven Strogatz. Sync: The Emerging Science of Spontaneous Order. Hyperion. 2003. 
  7. ^ 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. 
  8. ^ Dawe, Richard. SQUIDs: A Technical Report - Part 3: SQUIDs. 1998-10-28 [2011-04-21]. (原始內容 (website)存檔於2011-07-27). 
  9. ^ SI brochure, section 2.1.: SI base units, section 2.1.1: Definitions. International Bureau of Weights and Measures (BIPM). [2015-06-22]. (原始內容存檔於2014-10-07). 
  10. ^ Practical realization of units for electrical quantities (SI brochure, Appendix 2). BIPM. 2007-02-20 [2015-06-22]. (原始內容存檔於2021-03-18). 
  11. ^ 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

  • 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.