直流約瑟夫森效應

當直流電流通過超導隧道結時，只要電流值低於某一臨界電流，則與一塊超導體相似，結上不存在任何電壓，即流過結的是超導電流。但一旦超過臨界電流值，結上即出現一個有限的電壓，結的性狀過渡到正常電子的隧道特性。這種超導隧道結能夠承載直流超導電流的現象，稱為直流約瑟夫森效應（DC Josephson effect）。對於典型的結，臨界電流一般在幾十微安到幾十毫安之間。

基本介紹

• 中文名：直流約瑟夫森效應
• 外文名：DC Josephson effect，Direct current Josephson effect

隧道效應

當兩塊超導體通過一絕緣薄層(厚度為10埃左右)連線起來時，絕緣層對電子來說是一勢壘，一塊超導體中的電子可穿過勢壘進入另一超導體中，這是特有的量子力學的隧道效應。當絕緣層太厚時，隧道效應不明顯，太薄時，兩塊超導體實際上連成一塊，這兩種情形都不會發生約瑟夫森效應。絕緣層不太厚也不太薄時稱為弱連線超導體。兩塊超導體夾一層薄絕緣材料的組合稱S-I-S超導隧道結或約瑟夫森結。

約瑟夫森效應簡易示意圖

直流約瑟夫森效應形成條件

當S(超導體)-I(絕緣體)-S(超導體)隧道結兩端的電壓V=0時，結中可產生一個超導直流電流，這是由超導體中的庫珀對的隧道效應引起的，且該電流與絕緣體兩端相位差的正弦成正比，取值在-I_c與I_c之間。只要該超導電流小於某一臨界電流I_c，就始終保持此零電壓現象，I_c稱為約瑟夫森臨界電流。

直流約瑟夫森效應

超導隧道結的臨界電流I_c對外加磁場十分敏感，甚至地磁場可明顯地影響I_c。I_c不是外加磁場的單調函式，而是隨著外磁場的增高，呈現周期性變化。也就是說當沿結平面加恆定外磁場時，結中的隧道電流密度在結平面的法線方向上產生不均勻的空間分布。改變外磁場時，通過結的超導電流I_s隨外磁場的增加而周期性地變化， 描出與光學中的夫琅和費單縫衍射分布曲線相似的曲線，稱為超導隧結的量子衍射現象。相鄰兩最小值之間的磁場間隔H₀與結面積的乘積正好等於一個磁通量子，即韋伯。

Sn-SnOx-Sn結的約瑟夫森電流和磁場的關係

套用

在用於測量磁場的感測器中，有直流超導量子干涉器件(DCSQUID)和射頻超導量子干涉器件(RFSQUID)兩種。前者是把兩個特性完全相同的超導結並聯起來，形成雙結超導環。若在與環面相垂直的方向施加一外磁場，則流經雙結超導環的最大超導電流既是每個超導結結區所穿透的磁通量的周期函式，也是超導環所包圍的磁通量的周期函式。兩者的周期都是一個磁通量子。通常稱之為雙結量子干涉效應。射頻超導量子干涉器件，是在一超導環上嵌一超導結構作出的。它們已在測量極低溫下的核磁化率、超導體在T_c附近磁化率的漲落、在很寬溫度範圍內生物化學樣品的磁化率，以及岩石磁力等方面套用。E.R.科恩等把磁強計用於監視心臟的活動功能，獲得了清晰程度與醫學上用的心電圖接近的心磁圖。

雙結超導環和雙結超導量子干涉效應