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约瑟夫森结的详解

发布时间:2019-06-27 06:07 来源:未知 编辑:admin

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  两块超导体通过一绝缘薄层(厚度为10埃左右)连接起来,绝缘层对电子来说是一势垒,一块超导体中的电子可穿过势垒进入另一超导体中,这是特有的量子力学的隧道效应。当绝缘层太厚时,隧道效应不明显,太薄时,两块超导体实际上连成一块,这两种情形都不会发生约瑟夫森效应。绝缘层不太厚也不太薄时称为弱连接超导体。两块超导体夹一层薄绝缘材料的组合称S-I-S超导隧道结或约瑟夫森结。它的结构如图所示,上下2层由超导体构成,中间由非常薄的一层绝缘体构成。

  当约瑟夫森结两端的电流,超过它的临界电流后,它就会转换到有电压的状态同时释放一个磁通量子。

  一个约瑟夫森结的临界电流是由它的面积所决定的,面积越大,临界电流值就越高。

  现在国际上比较流行的标准有,美国的HYPRES(临界电流密度是4.5KA/CM2),日本的SRL(2.5KA/CM2)和ADP(10KA/CM2). 左图可见,当电流(红线微安的临界点时,JJ的两端变成有 电压状态,当外部电流减小时,JJ最后还是能回到超导状态(蓝线).如果将一定的电阻并在JJ上,可以达到红线和蓝线重合的效果。 并列的电阻值与临界电流比是3.73。

  直流约瑟夫森效应 结两端的电压V=0时,结中可存在超导电流,它是由超导体中的库珀对的隧道效应引起的。只要该超导电流小于某一临界电流Ic,就始终保持此零电压现象,Ic称为约瑟夫森临界电流。Ic对外磁场十分敏感,甚至地磁场可明显地影响Ic。沿结平面加恒定外磁场时,结中的隧道电流密度在结平面的法线方向上产生不均匀的空间分布。改变外磁场时,通过结的超导电流Is随外磁场的增加而周期性地变化, 描出与光学中的夫琅和费单缝衍射分布曲线相似的曲线,称为超导隧结的量子衍射现象。

  交流约瑟夫森效应 结两端的直流电压V≠0时,通过结的电流是一个交变的振荡超导电流,振荡频率(称约瑟夫森频率)f与电压V成正比,即f=V,e为电子电量,h为普朗克常数,这使超导隧道结具有辐射或吸收电磁波的能力。以微波辐照隧道结时可产生共振现象。连续改变所加的直流电压以改变交流振荡频率,当约瑟夫森频率f等于微波频率的整数倍时,就发生共振,此时有直流成分的超导电流流过隧道结,在 I-V 特性曲线上可观察到一系列离散的阶 梯式的恒定电流。测定约瑟夫森频率f,可由电压V测定常量2e/ h,或从已知常量e和h精确测定V。

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