约瑟夫森效应

1约瑟夫森效应2约瑟夫森预言123目录Contents库伯电子对约瑟夫森效应31约瑟夫森约瑟夫森，英文：Josephsoneffect。1962年由B.D约瑟夫森首先在理论上预言，对于超导体-绝缘层-超导体相互接触的结构，只要绝缘层足够薄，超导体内的电子对就有肯能穿透绝缘层势垒，导致如下效应：1.在零电压下，有直流超流产生，这一电流对磁场非常敏感，磁场加大，电流将迅速减小。2.在恒定电压下，既有直流超导电流产生，也有交流超流，其频率为2eV/h。3.如果在直流电压上再叠加一交流电压，其频率为v，则会出现一零斜率的电阻区，在这个区域内电流有傅里叶成分，电压V与v的关系为2eV/h=nv（其中n为整数）42.库珀电子对库柏电子对的形成原理描述：金属晶体中的外层价电子处在带正电性的原子实组成的晶格环境中，带负电的电子吸引原子实向它靠拢，在电子周围形成正电势密集的区域，它又吸引第二个电子，即电子通过格波声子相互作用形成电子对，称为“库柏电子对”。这种库柏电子对具有低于两个单独电子的能量，在晶格中运动没有任何阻力，因而产生超导性。电子间的直接相互作用是相互排斥的库伦力。如果仅仅存在库伦直接作用的话，电子不能形成配对。但电子间还存在以晶格振动（声子）为媒介的间接相互作用。电子间的这种相互作用是相互吸引的，正是这种吸引作用导致了“库珀对”的产生。大致上，其机理如下：电子在晶格中移动时会吸引邻近格点上的正电荷，导致格点的局部畸变，形成一个局域的高正电荷区。这个局域的高正电荷区会吸引自旋相反的电子，和原来的电子以一定的结合能相结合配对。在很低的温度下，这个结合能可能高于晶格原子振动的能量，这样，电子对将不会和晶格发生能量交换，也就没有电阻，形成所谓“超导”。核心是计算出导体中存在电子相互吸引从而形成一种共振态，即存在“电子对”。56自由电子经由间接的吸引力结合成库珀电子对，库珀电子对互相也随着晶格振动产生的正负电荷区间依序移动，彼此不在碰撞，也就没有电阻的产生。789BCS理论可以得到磁通量子化的结论，即磁通量子的电荷有效单位是2e而不是e。由于BCS基态涉及的是库珀电子对，所以磁通量子化中的电子对电荷2e是BCS理论的一个推论。BCS理论是第一个成功地解释了超导现象的微观理论，也是目前唯一成功的超导微观理论。后来，虽然又有了一些形式上的发展和完善，但基本思想和物理图像则没有更大的改变。103.约瑟夫森效应在两片超导中间夹入一片薄薄的绝缘体，在没有外加电压的情况下，仍会有直流电流通过绝缘体。如果在超导体两端施上一固定电压，则居然会出现交流电流；我们可以从交流电的频率得到非常准确的物理常数。113.1电子隧道效应在经典力学中，若两个空间区域被一个势垒分隔开，则只有粒子具有足够的能量越过势垒时，它才会从一个空间进入另一个空间区域中去。在量子力学中，一个能量不大的粒子也可能以一定的几率“穿过”势垒，这就是所谓的隧道效应。NNIVi绝缘体通常阻挡从一种金属流向另一种金属的传导电子。如果阻挡层足够薄，则由于隧道效应，电子具有相当大几率穿越绝缘层。123.1电子隧道效应当两个金属都处于正常态，隧道结的电流-电压曲线在低电压下是欧姆型，即电流正比于电压，如下图3-1。如果金属中的一个变为超导体时，电流-电压的特性曲线会变化如下图3-2。NNIVi0iV图3-10iV图3-2Vc133.2约瑟夫森结上面所述的NIS结和SIS结，其隧道电流都是正常电子穿越势垒。正常电子导电，通过绝缘介质层的隧道电流是有电阻的。这种情况的绝缘介质厚约几十纳米到几百纳米。如果SIS隧道结的绝缘层厚度只有1nm左右，那么理论和实验都证实了将会出现一种新的隧道现象，即库珀电子对的隧道效应，电子对穿过位垒后仍保持着配对状态。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成为弱连接超导体。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。超导体超导体薄绝缘势垒143.3直流约瑟夫森效应超导体超导体薄绝缘势垒Uii153.3直流约瑟夫森效应当直流电流通过超导隧道结时，只要电流值低于某一临界电流Ic，则与一块超导体相似，结上不存在任何电压，即流过结的是超导电流。但一旦超过临界电流值，结上即出现一个有限的电压，结的性状过渡到正常电子的隧道特性。图3-3给出了典型的I-V特性曲线。这种超导隧道结能够承载直流超导电流的现象，称为直流约瑟夫森效应。对于典型的结，临界电流一般在几十微安到几十毫安之间。图3-3Sn-SnOx-Sn结构的电流和电压关系163.3直流约瑟夫森效应图3-4Sn-SnOx-Sn结的约瑟夫森电流和磁场的关系173.3交流约瑟夫森效应超导体超导体薄绝缘势垒Uii183.3交流约瑟夫森效应VI19TheEnd19