約瑟夫森效應

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約瑟夫森效應是中國科技名詞。

如今，一個擁有燦爛文化的中國，帶着豐富多彩的文化元素屹立在世界東方。而中華文化的典型代表之一便是漢字。

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名詞解釋

約瑟夫森效應（英語：Josephson effect）是一種橫跨約瑟夫森結的超電流現象。約瑟夫森結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，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）。

約瑟夫森效應是宏觀量子效應的一種體現。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。直流約瑟夫森效應在1962年之前已經在實驗中被發現，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。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的電子可以藉由量子隧穿效應流過絕緣層。約瑟夫森首次預測了超導狀態下庫柏對的隧穿現象，也因此獲得了1973年諾貝爾物理學獎。約瑟夫森結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）、超導量子計算以及快速單磁通量子（RSFQ）數字電子設備等。美國國家標準技術研究所對於1伏特的標準是由19,000個串連的約瑟夫森結陣列所達成的。

特性

每一個約瑟夫森結都具有一個臨界電流（電流大小與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超導體的帶隙時，電流-電壓關係就變得線性，多重安德烈夫反射消失。

應用

約瑟夫森結有許多種類，例如pi型約瑟夫森結、varphi型約瑟夫森結、長型約瑟夫森結以及超導隧穿接面等。達依坶橋是一種約瑟夫森結的薄膜變體，其弱連結由數微米尺度的超導導線所組成。一個裝置的複雜度可用其約瑟夫森結數作為基準衡量。約瑟夫森效應有廣泛的應用超導量子干涉儀（SQUIDs），又稱超導量子干涉裝置，是非常敏感的磁強計。這類儀器是藉由約瑟夫森效應運作的，在科學和工程中應用廣泛。

當進行精確的計量時，約瑟夫森效應提供了一種具有完全再現性的頻率和電壓轉換。由於頻率已由銫標準明確界定，約瑟夫森效應多用於給出1伏特的標準值，即約瑟夫森電壓標準。然而，國際度量衡局並沒有因此調整國際單位制。

單一電子晶體管通常用超導材料製造，從而可利用約瑟夫森效應實現新穎的效果。這種裝置稱為「超導單電子晶體管」。

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數字電路是基於並聯的約瑟夫森結。在這個情況，接面開關與一個帶數字信息的磁通量量子的釋放有關。