专题选读14约瑟夫森效应
专题选读14 约瑟夫森效应
Brian Josephson1973年Nobel物理学奖获得者
Brian Josephson Josephson 1973年Nobel物理学奖获得者 物理学奖获得者
一、直流约瑟夫森效应(dc Josephson effect) 如图，由超导体一绝缘体一超导体构成的结称为 约瑟夫森结(Josephson junction) 超导体 超导体 绝缘体 也包括如下形式的弱连接类型
如图，由超导体 如图，由超导体—绝缘体—超导体构成的结称为 超导体构成的结称为 约瑟夫森结(Josephson Josephson junction) junction) 超导体 绝缘体 超导体 也包括如下形式的弱连接类型 也包括如下形式的弱连接类型 i i 一、直流约瑟夫森效应(dc Josephson effect)
问题：超导体中库珀对（通过声子场耦合在一起的 电子对)能否穿过约瑟夫森结形成隧道电流，该隧 道电流与哪些因素有关？ 一自由运动的电子对应一平面波 业=Aea (1) 电子在正常导体中运动时，由于各种各样的散射， 使得电子波矢k随机变化，波函数平对空间确定的 两点x1、飞2相位差不确定。 但是，对于处于超导态的电子对（库珀对)从点x 运动到点x,由于没有散射作用存在，波函数有确定 的相位差k化2x),将其称为在宏观尺度上电子运 动相位的相干性
电子在正常导体中运动时，由于各种各样的散射， 使得电子波矢k 随机变化，波函数 Ψ 对空间确定的 两点 x 1 、 x 2相位差不确定。 （ 1 ） 一自由运动的电子对应一平面波 ikx = A e 但是，对于处于超导态的电子对（库珀对）从点 x 1 运动到点 x 2由于没有散射作用存在，波函数有确定 的相位差 k (x 2- x 1 )，将其称为在宏观尺度上电子运 动相位的相干性 。 问题：超导体中库珀对（通过声子场耦合在一起的 （通过声子场耦合在一起的 电子对）能否穿过约瑟夫森结形成隧道电流，该隧 电子对）能否穿过约瑟夫森结形成隧道电流，该隧 道电流与哪些因素有关？ 道电流与哪些因素有关？ ψ
现考虑两个独立的超导体S,和S,由约瑟夫森结接 触，电子在接触处的相位分别为0和0，电子的 隧穿几率应该与相位差6=（日-9）有关。根据量 子理论，Josephson给出了如下关系（理论推导 略)： I=1o sin(-02)=1o sin 8 (2) 此处I为最大零电压隧穿电流（正比于电子的隧穿 几率)。 (2)式说明在零电压下，隧穿电流与相位差6=(9 日)有关，称该现象为直流约瑟夫森效应
现考虑两个独立的超导体 S 1 和 S 2 由约瑟夫森结接 触，电子在接触处的相位分别为 θ 1 和 θ 2，电子的 隧穿几率应该与相位差 δ= ( θ 1 - θ 2) 有关。根据量 子理论，Josephson 给出了如下关系（理论推导 略）： = II 0 sin( θ − θ = I 021 sin) δ 此处 I0为最大零电压隧穿电流（正比于电子的隧穿 几率）。 (2)式说明在零电压下，隧穿电流与相位差 δ=( θ 1 - θ 2 )有关，称该现象为直流约瑟夫森效应 。 （ 2 ）