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約瑟夫森效應有哪些重要的應用?
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    約瑟夫森效應的發現歷史

    約瑟夫森1940年出生於英國,1960年在劍橋大學三一學院獲學士學位,1962年,在英國劍橋大學當研究生。也正是在1962年,他從理論上作出預言,對於超導體-絕緣層-超導體互相接觸的結構(也叫SIS結構),只要絕緣層足夠薄,超導體內的電子對就有可能穿透絕緣層勢壘,從而在整個SIS結構中形成超導電流,這就是著名的約瑟夫森效應。

    約瑟夫森發現這個效應時,剛滿22歲,是一名大學畢業兩年正在讀研的研究生!

    圖1. 英國物理學家約瑟夫森

    約瑟夫森效應的重要結論

    當時約瑟夫森從理論上預言了在約瑟夫森結中會導致如下的效應:

    (1)在恆定電壓下,既有直流超導電流產生,也有交流超導電流,其頻率為2eV/h;

    (2)在零電壓下,有直流超流產生,這一電流對磁場非常敏感,磁場加大,電流將迅速減小;

    (3)如果在直流電壓上再疊加一交流電壓,其頻率為v,則會出現一零斜率的電阻區,在這個區域內電流有傅立葉成分,電壓V與頻率v的關係為2eV/h=nv(其中n為整數)。

    約瑟夫森效應得重要應用

    約瑟夫森效應具有廣泛的應用,主要有以下幾個領域:

    SQUID,全稱超導量子干涉儀( Superconducting QUantum Interference Devices),這是一種利用約瑟夫森效應制成的相當靈敏的磁探測計,在科研和工程上均有重要的應用。

    圖2. SQUID內部實物圖

    單電子電晶體(SET),用超導材料製成的單電子電晶體具有很多新奇的效應,對應的器件叫做超導單電子電晶體。

    圖3. 單電子電晶體示意圖

    在精密計量學中,約瑟夫森效應提供了一個精確的頻率和電壓的轉換關係,即上文提到的2eV/h=nv。

    約瑟夫森效應可以應用於約瑟夫森常數和量子霍爾效應中馮·克利青常數的精確測量。超導隧道結探測器(STJs)在未來幾年裡可能成為用於天文學和天體物理學的CCD(電荷耦合器件)的可行性替代品。
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