什么是约瑟夫森效应？

约瑟夫森效应是两个超导体之间隔着极薄绝缘层、普通金属或弱连接时，库珀对能够以量子隧穿方式通过接合部的现象。该结构称为约瑟夫森结。

直流约瑟夫森效应

即使接合两端没有电压，只要两个超导体的宏观量子相位存在差异，就可以流过超导电流。电流大小与相位差的正弦成正比，并存在由接合结构决定的临界电流。

交流约瑟夫森效应

在接合两端施加恒定电压后，相位差随时间变化，产生频率与电压严格成正比的交流超导电流。该关系由基本常数决定，因此可用于高精度电压标准。

磁场对约瑟夫森结的影响

外部磁场会改变接合部各位置的相位关系，使临界电流呈现类似夫琅禾费衍射的变化。多个约瑟夫森结构成环形时，可形成对微小磁通极为敏感的SQUID。

主要应用

约瑟夫森结用于量子电压标准、SQUID磁传感器、超导量子比特、太赫兹振荡与检测器以及超导数字电路。其特点是量子关系明确、灵敏度高，但通常需要低温环境。

超导量子比特

约瑟夫森结提供非线性电感，使人工电路可以形成不等间隔的量子能级。通过微波控制最低能级，可实现超导量子比特。相干时间会受到材料缺陷、电荷噪声、磁通噪声和微波环境影响。

总结

约瑟夫森效应把超导体的宏观相位差转换为可测量的电流和频率。它既是宏观量子现象的代表，也是精密计量、高灵敏磁测量和量子计算的重要基础。