約瑟夫森效應
約瑟夫森效應（英語：Josephson effect）是一種橫跨約瑟夫森接面的超電流現象[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，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）、超導量子計算以及快速單磁通量子（RSFQ）數碼電子設備等。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所達成的[6]。
特性
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每一個約瑟夫森接面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）。如果流過約瑟夫森接面的電流小於這個臨界電流，則約瑟夫森接面上無電壓降。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
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約瑟夫森接面有許多種類，例如pi型約瑟夫森接面、varphi型約瑟夫森接面、長型約瑟夫森接面以及超導穿隧接面等。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作為基準衡量。約瑟夫森效應有廣泛的應用，例如：
- 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[9][10]。
- 單一電子電晶體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「超導單電子電晶體」[11]。
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。
參見
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註釋
[編輯]參考文獻
[編輯]腳註
[編輯]- ^ Josephson, B. D. Possible new effects in superconductive tunnelling. Physics Letters. 1962, 1 (7): 251. doi:10.1016/0031-9163(62)91369-0.
- ^ 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.
- ^ 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）.
- ^ 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.
- ^ The Nobel prize in physics 1973. [11-8-18]. （原始內容存檔於2018-06-18）.
- ^ Steven Strogatz. Sync: The Emerging Science of Spontaneous Order. Hyperion. 2003.
- ^ 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.
- ^ 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）.
- ^ 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）.
- ^ 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）.
- ^ 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
[編輯]- 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.
