“约瑟夫森效应”的版本间的差异
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在约瑟夫森的预言之前，人们只知道单个（即未成对的）电子可以通过[[量子隧穿]]穿越绝缘势垒。约瑟夫森是第一个预言超导[[库珀对]]会发生隧穿的人。因为这项工作，约瑟夫森于1973年获得了[[Nobel Prize in Physics|诺贝尔物理学奖]]。<ref>{{Cite web |title=1973年诺贝尔物理学奖 |url=https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1973/summary/ |access-date=2023-03-01 |website=The Nobel Prize}}</ref> 约翰·巴丁是提名者之一。 | 在约瑟夫森的预言之前，人们只知道单个（即未成对的）电子可以通过[[量子隧穿]]穿越绝缘势垒。约瑟夫森是第一个预言超导[[库珀对]]会发生隧穿的人。因为这项工作，约瑟夫森于1973年获得了[[Nobel Prize in Physics|诺贝尔物理学奖]]。<ref>{{Cite web |title=1973年诺贝尔物理学奖 |url=https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1973/summary/ |access-date=2023-03-01 |website=The Nobel Prize}}</ref> 约翰·巴丁是提名者之一。 | ||
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| + | [[File:Josephson junction symbol.svg|thumb|约瑟夫森结的[[electrical symbol|电气符号]]]] 约瑟夫森结的类型包括[[Phi Josephson junction|φ 约瑟夫森结]]（其中[[pi Josephson junction|π 约瑟夫森结]]是一个特殊例子）、[[long Josephson junction|长约瑟夫森结]]以及[[superconducting tunnel junction|超导隧穿结]]。其他用途包括： | ||
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| + | * “Dayem 桥”是一种[[thin-film|薄膜]]约瑟夫森结，其中弱连接由一根长度为几微米或更短的超导导线构成。<ref>{{cite journal |last1=Anderson |first1=P. W. |last2=Dayem |first2=A. H. |year=1964 |title=Radio-frequency effects in superconducting thin film bridges |journal=Physical Review Letters |volume=13 |issue=6 |page=195 |bibcode=1964PhRvL..13..195A |doi=10.1103/PhysRevLett.13.195}}</ref><ref>{{cite web |last=Dawe |first=Richard |title=SQUIDs: A Technical Report – Part 3: SQUIDs |website=rich.phekda.org |date=1998-10-28 |url=http://rich.phekda.org/squid/technical/part3.html |format=website |access-date=2011-04-21 |archive-url=https://web.archive.org/web/20110727172927/http://rich.phekda.org/squid/technical/part3.html |archive-date=2011-07-27 |url-status=dead}}</ref> | ||
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| + | * [[SQUID]]（超导量子干涉器）是通过约瑟夫森效应工作的高灵敏度[[magnetometer|磁强计]] | ||
| + | * 超流氦量子干涉器（[[SHeQUID]]）是直流 SQUID 的[[超流体]]氦类比物<ref>Sato, Y.; Packard, R. (2012年10月), Superfluid helium interferometers, Physics Today, p. 31.</ref> | ||
| + | * 在精密[[计量学]]中，约瑟夫森效应提供了在[[频率]]与[[电压]]之间可[[复现实验]]的换算。[[Josephson voltage standard|约瑟夫森电压标准]]利用[[caesium standard|铯原子标准]]对频率的定义来给出伏特的标准表达 | ||
| + | * [[Single-electron transistor|单电子晶体管]]常以[[超导]]材料制成，称为“超导单电子晶体管”。<ref>{{cite journal |last1=Fulton |first1=T. A. |last2=Gammel |first2=P. L. |last3=Bishop |first3=D. J. |last4=Dunkleberger |first4=L. N. |last5=Dolan |first5=G. J. |year=1989 |title=Observation of Combined Josephson and Charging Effects in Small Tunnel Junction Circuits |journal=Physical Review Letters |volume=63 |issue=12 |pages=1307–1310 |bibcode=1989PhRvL..63.1307F |doi=10.1103/PhysRevLett.63.1307 |pmid=10040529}}</ref> | ||
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| + | * [[RSFQ]]数字电子学基于并联阻尼的约瑟夫森结。结的开关会发射一个[[magnetic flux quantum|磁通量子]] <math>\scriptstyle\frac{1}{2 e}h</math>。其可以无分别表示二进制 1 和 0。 | ||
| + | * [[超导量子计算]]在[[量子比特]]中使用约瑟夫森结作为非线性电感元件，例如[[transmon]]、[[flux qubit|磁通量子比特]]等方案，其中相位与电荷为[[共轭变量]]。<ref>{{cite journal |last1=Bouchiat |first1=V. |last2=Vion |first2=D. |last3=Joyez |first3=P. |last4=Esteve |first4=D. |last5=Devoret |first5=M. H. |year=1998 |title=Quantum coherence with a single Cooper pair |journal=Physica Scripta |volume=T76 |page=165 |bibcode=1998PhST...76..165B |doi=10.1238/Physica.Topical.076a00165 |s2cid=250887469 |doi-access=}}</ref> | ||
| + | * [[Superconducting tunnel junction|超导隧穿结]]探测器用于[[Superconducting camera|超导相机]] | ||
2025年10月7日 (二) 20:27的版本
在物理学中，约瑟夫森效应 指的是当两个 超导体 相互接近、其间存在某种势垒或限制时出现的一种现象。该效应以英国物理学家 布赖恩·约瑟夫森 的名字命名；他在1962年预测了跨越弱连接处电流与电压之间的数学关系。[1][2] 它是一个 宏观量子现象 的例子，即量子力学效应可在普通（而非原子）尺度上被观测到。约瑟夫森效应具有许多实际应用，因为它在不同物理量（如电压与频率）之间呈现精确关系，从而促进了高精度测量。
约瑟夫森效应会产生一种称为 超电流 的电流，它在不施加任何电压的情况下，可跨越一种称为 约瑟夫森结（JJ）的器件持续流动。显然，它不可能在一段不再回到起点的金属中永远向前推动电流，因为这会建立起抵抗电流的电压。|date=December 2024}} 这种器件由两个或更多超导体通过一个弱连接耦合而成。该弱连接可以是一层很薄的绝缘势垒（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），或在接触点削弱超导性的物理收缩（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、超导量子比特 和 RSFQ数字电子学。一伏特的NIST标准是通过将 20,208 个约瑟夫森结串联成阵列 实现的。[3]
历史
在1962年之前，直流约瑟夫森效应已在实验中被观测到，[5] 但当时被归因于“超短路”或绝缘势垒的破损，导致超导体之间电子的直接传导。
1962年，布赖恩·约瑟夫森对超导隧穿产生了兴趣。当时他23岁，是剑桥大学蒙德实验室中Brian Pippard门下的二年级研究生。那一年，约瑟夫森选修了Philip W. Anderson开设的多体理论课程，安德森是来自贝尔实验室、在1961—1962学年休假的雇员。该课程向约瑟夫森介绍了超导体中的对称性破缺思想，他“为对称性破缺的概念所着迷，并思考是否有办法在实验上观测到它”。约瑟夫森研究了Ivar Giaever和Hans Meissner的实验，以及Robert Parmenter的理论工作。Pippard起初认为隧穿效应可能存在，但会小到难以察觉；然而约瑟夫森并不同意，尤其是在安德森向他展示了由Marvin L. Cohen、Leopoldo Máximo Falicov和Phillips撰写、关于超导体—势垒—正常金属体系的“Superconductive Tunneling”预印本论文之后。[6]模板:R
起初，约瑟夫森和同事们对他计算的正确性并不确定。安德森后来回忆说：
我们所有人———约瑟夫森、Pippard和我，以及其他一些也常在蒙德实验室茶歇时参与接下来几周讨论的人——都对“电流依赖相位这一事实的意义”感到非常困惑。
经过进一步审查，他们得出结论认为约瑟夫森的结果是正确的。随后，约瑟夫森于1962年6月向《Physics Letters》投稿“Possible new effects in superconductive tunnelling”。由于对结果心存疑虑，他们选择了较新的《Physics Letters》杂志而非更为成熟的《Physical Review Letters》。约翰·巴丁当时已是诺贝尔奖得主，他在1962年最初公开对约瑟夫森的理论持怀疑态度，但在进一步的实验与理论澄清后接受了该理论。[7]另见：约瑟夫森效应之争。
1963年1月，安德森与其贝尔实验室的同事John Rowell向《Physical Review Letters》提交了第一篇宣称在实验中观测到了约瑟夫森效应的论文——“Probable Observation of the Josephson Superconducting Tunneling Effect”。[8] 这些作者随后获得了专利，[9] 但从未被执行，也从未受到质疑。[citation needed]
在约瑟夫森的预言之前，人们只知道单个（即未成对的）电子可以通过量子隧穿穿越绝缘势垒。约瑟夫森是第一个预言超导库珀对会发生隧穿的人。因为这项工作，约瑟夫森于1973年获得了诺贝尔物理学奖。[10] 约翰·巴丁是提名者之一。
应用
约瑟夫森结的类型包括φ 约瑟夫森结（其中π 约瑟夫森结是一个特殊例子）、长约瑟夫森结以及超导隧穿结。其他用途包括：
- “Dayem 桥”是一种薄膜约瑟夫森结，其中弱连接由一根长度为几微米或更短的超导导线构成。[11][12]
- 约瑟夫森结数量可作为衡量超导电子电路复杂度的代理变量
- SQUID（超导量子干涉器）是通过约瑟夫森效应工作的高灵敏度磁强计
- 超流氦量子干涉器（SHeQUID）是直流 SQUID 的超流体氦类比物[13]
- 在精密计量学中，约瑟夫森效应提供了在频率与电压之间可复现实验的换算。约瑟夫森电压标准利用铯原子标准对频率的定义来给出伏特的标准表达
- 单电子晶体管常以超导材料制成，称为“超导单电子晶体管”。[14]
- 基础电荷最精确的测量可通过约瑟夫森常数和与量子霍尔效应相关的冯·克里青常数来实现
- RSFQ数字电子学基于并联阻尼的约瑟夫森结。结的开关会发射一个磁通量子 [math]\displaystyle{ \scriptstyle\frac{1}{2 e}h }[/math]。其可以无分别表示二进制 1 和 0。
- 超导量子计算在量子比特中使用约瑟夫森结作为非线性电感元件，例如transmon、磁通量子比特等方案，其中相位与电荷为共轭变量。[15]
- 超导隧穿结探测器用于超导相机
- ↑ Josephson, B. D. (1962). "Possible new effects in superconductive tunnelling". Physics Letters. 1 (7): 251–253. Bibcode:1962PhL.....1..251J. doi:10.1016/0031-9163(62)91369-0.
- ↑ Josephson, B. D. (1974). "The discovery of tunnelling supercurrents". Reviews of Modern Physics. 46 (2): 251–254. Bibcode:1974RvMP...46..251J. doi:10.1103/RevModPhys.46.251. S2CID 54748764.
- Also in Josephson, B. D. (1974). "The Discovery of Tunnelling Supercurrents". Europhysics News. 5 (3): 1–5. Bibcode:1974ENews...5c...1J. doi:10.1051/epn/19740503001.
- ↑ Steven Strogatz, Sync: The Emerging Science of Spontaneous Order, Hyperion, 2003.
- ↑ Mond Laboratory，英格兰国家遗产名录，Historic England（访问于2022年9月17日）
- ↑ Josephson, Brian D. (1973-12-12). "隧穿超电流的发现（诺贝尔演讲）".
- ↑ Cohen, M. H.; Falicov, L. M.; Phillips, J. C. (1962-04-15). "Superconductive Tunneling". Physical Review Letters. 8 (8): 316–318. Bibcode:1962PhRvL...8..316C. doi:10.1103/PhysRevLett.8.316.
- ↑ Daitch, Vicki; Hoddeson, Lillian (2002). True Genius: The Life and Science of John Bardeen. Joseph Henry Press. p. 117. ISBN 9780309084086. https://archive.org/details/truegeniuslifesc0000hodd.
- ↑ Anderson, P. W.; Rowell, J. M. (1963-03-15). "Probable Observation of the Josephson Tunnel Effect". Physical Review Letters. 10 (6): 230. Bibcode:1963PhRvL..10..230A. doi:10.1103/PhysRevLett.10.230.
- ↑ 模板:Cite patent
- ↑ "1973年诺贝尔物理学奖". The Nobel Prize. Retrieved 2023-03-01.
- ↑ Anderson, P. W.; Dayem, A. H. (1964). "Radio-frequency effects in superconducting thin film bridges". Physical Review Letters. 13 (6): 195. Bibcode:1964PhRvL..13..195A. doi:10.1103/PhysRevLett.13.195.
- ↑ Dawe, Richard (1998-10-28). "SQUIDs: A Technical Report – Part 3: SQUIDs". rich.phekda.org. Archived from the original (website) on 2011-07-27. Retrieved 2011-04-21.
- ↑ Sato, Y.; Packard, R. (2012年10月), Superfluid helium interferometers, Physics Today, p. 31.
- ↑ Fulton, T. A.; Gammel, P. L.; Bishop, D. J.; Dunkleberger, L. N.; Dolan, G. J. (1989). "Observation of Combined Josephson and Charging Effects in Small Tunnel Junction Circuits". Physical Review Letters. 63 (12): 1307–1310. Bibcode:1989PhRvL..63.1307F. doi:10.1103/PhysRevLett.63.1307. PMID 10040529.
- ↑ Bouchiat, V.; Vion, D.; Joyez, P.; Esteve, D.; Devoret, M. H. (1998). "Quantum coherence with a single Cooper pair". Physica Scripta. T76: 165. Bibcode:1998PhST...76..165B. doi:10.1238/Physica.Topical.076a00165. S2CID 250887469.
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