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约瑟夫森效应
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2025年10月7日 (二) 20:50的版本
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2025年10月7日 (二) 20:50
→约瑟夫森电感
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需注意,尽管约瑟夫森结的动力学行为与电感相似,但并不伴随磁场。此行为源自载流子(电荷载流子)的动能,而非磁场能量。
需注意,尽管约瑟夫森结的动力学行为与电感相似,但并不伴随磁场。此行为源自载流子(电荷载流子)的动能,而非磁场能量。
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== 约瑟夫森能量 ==
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基于约瑟夫森结与非线性电感的相似性,当有超电流流过时,约瑟夫森结中所储存的能量可以被计算出来。<ref>[[Michael Tinkham]],Introduction to superconductivity,Courier Corporation,1986。</ref>
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流经结的超电流与约瑟夫森相位通过电流—相位关系(CPR)相关:
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:<math>I = I_c \sin\varphi.</math>
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超导相位演化方程可以类比为[[法拉第定律]]:
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:<math>V=\operatorname{d}\!\Phi/\operatorname{d}\!t\,.</math>
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设在时刻 <math>t_1</math> 时,约瑟夫森相位为 <math>\varphi_1</math>;在较晚的时刻 <math>t_2</math>,约瑟夫森相位演化到 <math>\varphi_2</math>。结中能量的增加等于对结所做的功:
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:<math>
+
\Delta E = \int_1^2 I V\,\operatorname{d}\!{t}
+
= \int_{1}^{2} I\,\operatorname{d}\!\Phi
+
= \int_{\varphi_1}^{\varphi_2} I_c\sin \varphi \,\operatorname{d}\!\left(\Phi_0\frac{\varphi}{2\pi}\right)
+
= -\frac{\Phi_0 I_c}{2\pi}\,\Delta\!\cos\varphi\,.
+
</math>
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这表明,约瑟夫森结中能量的变化仅依赖于结的初态与终态,而不依赖于[[热力学过程路径]]。因此,储存在约瑟夫森结中的能量是一个[[状态函数]],可定义为:
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:<math>E(\varphi)=-\frac{\Phi_0 I_c}{2\pi}\cos\varphi=-E_J\cos\varphi\,.</math>
+
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其中 <math>E_J = |E(0)|=\frac{\Phi_0 I_c}{2\pi}</math> 是约瑟夫森结的特征参数,称为约瑟夫森能量。它与约瑟夫森电感的关系为 <math>E_J = L_J I_c^2</math>。另一个等价的常用定义是 <math>E(\varphi)=E_J(1-\cos\varphi)</math>。
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再次注意,非线性[[线圈电感]]在电流通过时,会在其磁场中积累[[势能]];然而,对于约瑟夫森结,超电流并不会产生磁场——储存的能量来自载流子的动能。
Jake
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