基于约瑟夫森效应的交流电压标准研究
约瑟夫森效应
约瑟夫森效应（超导隧道效应）1962年，英国剑桥大学的研究生约瑟夫森从理论上预言：当两块超导体（S）之间用很薄的氧化物绝缘层（I）隔开，形成S－I－S结构，将出现量子隧道效应．这种结构称为隧道结，即使在结的两端电压为0时，也可以存在超导电流．这种超导隧道效应现在称为约瑟夫森效应．1911年，荷兰莱顿大学的卡茂林·昂尼斯意外地发现，将汞冷却到-268.98°C时，汞的电阻突然消失；后来他又发现许多金属和合金都具有与上述汞相类似的低温下失去电阻的特性，由于它的特殊导电性能，卡茂林·昂尼斯称之为超导态。
卡茂林由于他的这一发现获得了1913年诺贝尔奖。
这一发现引起了世界范围内的震动。
在他之后，人们开始把处于超导状态的导体称之为“超导体”。
超导体的直流电阻率在一定的低温下突然消失，被称作零电阻效应。
导体没有了电阻，电流流经超导体时就不发生热损耗，电流可以毫无阻力地在导线中形成强大的电流，从而产生超强磁场。
1933年，荷兰的迈斯纳和奥森菲尔德共同发现了超导体的另一个极为重要的性质，当金属处在超导状态时，这一超导体内的磁感兴强度为零，却把原来存在于体内的磁场排挤出去。
对单晶锡球进行实验发现：锡球过渡到超导态时，锡球周围的磁场突然发生变化，磁力线似乎一下子被排斥到超导体之外去了，人们将这种现象称之为“迈斯纳效应”。
后来人们还做过这样一个实验：在一个浅平的锡盘中，放入一个体积很小但磁性很强的永久磁体，然后把温度降低，使锡盘出现超导性，这时可以看到，小磁铁竟然离开锡盘表面，慢慢地飘起，悬浮不动。
迈斯纳效应有着重要的意义，它可以用来判别物质是否具有超性。
超导材料和超导技术有着广阔的应用前景。
超导现象中的迈斯纳效应使人们可以到用此原理制造超导列车和超导船，由于这些交通工具将在悬浮无磨擦状态下运行，这将大大提高它们的速度和安静性，并有效减少机械磨损。
利用超导悬浮可制造无磨损轴承，将轴承转速提高到每分钟10万转以上。
约瑟夫森效应实验报告
一、实验目的1. 理解并掌握约瑟夫森效应的基本原理。
2. 观察并测量直流约瑟夫森效应的电压-电流关系。
3. 分析交流约瑟夫森效应的特性。
二、实验原理约瑟夫森效应是指两个超导体通过一个薄的绝缘层（称为约瑟夫森结）接触时，即使没有外部电压，也能产生超导电流的现象。
这一效应由英国物理学家布赖恩·约瑟夫森在1962年提出，并因此获得了1973年的诺贝尔物理学奖。
约瑟夫森效应分为直流约瑟夫森效应和交流约瑟夫森效应。
直流约瑟夫森效应描述了超导电流在没有电压作用下通过绝缘层的现象，而交流约瑟夫森效应则描述了在电压作用下产生的超导电流的高频振荡。
三、实验仪器与材料1. 约瑟夫森结样品2. 电流源3. 电压表4. 高频信号发生器5. 示波器6. 低温设备7. 实验台四、实验步骤1. 将约瑟夫森结样品置于低温设备中，确保温度低于超导转变温度。
2. 使用电流源对约瑟夫森结施加直流电流，调节电流值。
3. 使用电压表测量结两端的电压，记录数据。
4. 重复步骤2和3，改变电流值，得到一系列电压-电流数据。
5. 在施加直流电压的情况下，使用高频信号发生器提供交流电压，调节电压值。
6. 使用示波器观察结两端的电压波形，记录数据。
7. 分析直流和交流约瑟夫森效应的特性。
五、实验结果与分析1. 直流约瑟夫森效应实验结果显示，在低温条件下，约瑟夫森结表现出直流超导电流的特性。
当电流低于临界电流时，结两端电压为零；当电流超过临界电流时，结两端出现一个有限的电压，称为约瑟夫森电压。
2. 交流约瑟夫森效应实验结果显示，在施加直流电压的情况下，约瑟夫森结表现出交流超导电流的特性。
电压波形为高频振荡，其频率与施加的电压成正比。
六、实验结论1. 通过实验，我们成功观察并测量了直流和交流约瑟夫森效应的特性。
2. 实验结果与理论预测相符，验证了约瑟夫森效应的基本原理。
3. 约瑟夫森效应在超导电子学、量子技术等领域具有重要的应用价值。
七、实验讨论1. 实验过程中，温度控制对约瑟夫森效应的观察至关重要。
约瑟夫森结的原理和应用
约瑟夫森结的原理和应用1. 约瑟夫森结的原理约瑟夫森结(Josephson junction)是一种在超导体中产生和探测微小电流的装置。
它是由两个超导体之间插入一层非超导体材料而形成的。
当约瑟夫森结被置于超导电路中时，它可以表现出一些非常有趣和重要的物理现象。
约瑟夫森结的原理可以通过基本的超导电子理论解释。
超导电子在超导体中组成了配对的库珀对，这些电子对可以通过库伯对隧穿到另一边。
当约瑟夫森结中施加电压时，这些电子可以通过约瑟夫森结的非超导层隧穿，并在超导电路中形成一个电流环。
2. 约瑟夫森结的应用约瑟夫森结在许多领域中都有着广泛的应用。
以下是约瑟夫森结的一些主要应用：2.1 量子比特约瑟夫森结可以用作量子比特的基础。
量子比特是量子计算中的基本单位，类似于经典计算机中的比特。
通过控制约瑟夫森结的电流量和相位，可以实现量子比特的操作和控制，从而实现量子计算。
2.2 交流电压标准约瑟夫森结可以用作交流电压标准。
由于约瑟夫森结对电压的依赖关系很好地满足了量子效应的精确性要求，因此可以将其作为电压的参考标准。
这使得约瑟夫森结在科学研究和工程应用中具有重要的意义。
2.3 超导量子干涉仪约瑟夫森结也可以被用作超导量子干涉仪的关键元件。
超导量子干涉仪是一种利用超导电子的量子干涉效应来测量微小物理量的装置。
通过控制约瑟夫森结的相位，可以改变干涉图样，从而实现高精度的物理量测量。
2.4 单光子检测器约瑟夫森结还被广泛应用于单光子检测器中。
单光子检测器是一种用于探测光子的装置，可以实现高灵敏度和高时间分辨率。
约瑟夫森结的超导性和量子隧穿效应使其成为实现单光子检测器的理想选择。
2.5 量子隧穿器件除了以上应用外，约瑟夫森结还可以应用于量子逻辑门和量子隧穿器件的制备。
量子逻辑门是实现量子计算中的逻辑操作的元件，而量子隧穿器件是利用量子隧穿效应来控制和操纵量子态的装置。
约瑟夫森结在这些应用中具有重要的角色。
3. 总结约瑟夫森结作为一种特殊的超导电子装置，在量子计算、交流电压标准、量子干涉仪、单光子检测器以及量子隧穿器件等领域中有着重要的应用。
基于约瑟夫森效应的交流电压标准研究_朱珠
［ 2］ Ralf Behr． Synthesis of Precision Waveforms Using a SINIS Josephson Junction Array ［ J］ ． IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement， 2005 ， 54 （ 2 ） ． ［ 3］ Samuel P． Benz． Pulse － Driven Josephson Digital / Analog Converter ［ J］ ． IEEE Transactions on Applied Superconductivity， 1998 ， 8 （ 2） ． ［ 4］ Clark A． Hamilton． AC Josephson Voltage Standard： Progress Report ［ J］ ． IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement， 1997 ， 46 （ 2 ） ． ［ 5］ Charles J． Burroughs，AC Josephson Voltage Standard Error Measurements and Analysis ［J］ ． IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement， 2003 ， 52 （ 2） ． ［ 6］ C． A． Hamilton． Josephson D / A Converter with Fundamental Accuracy ［ J］ ． IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement， 1995 ， 44 （ 2 ） ． ［ 7］ S． P． Benz，P． D． Dresselhaus，C． J． Burroughs et al． Precision measurements using a 300 mV Josephson arbitrary waveform synthesizer ［ J］ ． IEEE Trans． Appl． Supercond． ， 2007． ［ 8］ J． M． Williams，D． Henderson，P． Patel et al． Achieving sub － 100 － ns switching of programmable Josephson arrays ［J］ ． IEEE Trans． Instrum． Meas． ，2007 ，56 （ 2 ） ： 651 ～ 654． ［ 9］ L． Palafox，G． Ramm，R． Behr et al． Primary ac power standard based on programmable Josephson junction arrays ［ J］ ． IEEE Trans． Instrum． Meas． ， 2007 ， 56 （ 2 ） ： 534 ～ 537． ［ 10］ C． J． Burroughs，P． D． Dresselhaus，et al． Design of the NIST 10V programmable Josephson voltage standard system ［ C］ ． Conf． Digest CPEM2010 ， 2010．
约瑟夫森效应
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6
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。
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8
BCS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 。
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图3-3 Sn-SnOx-Sn结构的电流和电压关系
3.3 直流约瑟夫森效应
图3-4 Sn-SnOx-Sn结的约瑟夫森电流和磁场的关系
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3.3 交流约瑟夫森效应
U i
超导体
i
超导体
薄绝缘势垒
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3.3 交流约瑟夫森效应
I
V
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19
The End
19
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。
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3. 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。
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3.1 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。 i 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。
约瑟夫森效应
ei 及
直流无外场（A=0）
根据G-L方程
2
ns
ns表示局域密度
i e * (e* ) 2 2 * * js ( ) A * * 2m m c e* ns e * ns e * e* s ( A) ( A) s * * c m c m
j0 LD
0
0
)
sin( 2 1 )
其中，总磁通量为 B0 (d 2 )D ，磁通量子为 0 这时通过隧道结的超电流的最大值可以表示为：
c
e
I max I 0
sin(
0
)
, I 0 j0 LD
0
直流有外场（包括电场E和磁场B）
2e Az ( x)( d 2 ) c
（x） （0）
D 2
2e B0 ( d 2 ) x c
2e js j0 sin （x） j0 sin (0) B0 (d 2 ) x c
I s L dxjs ( x)
D 2
Ax 0, Ay 0, Az Az ( x)和By ( x)
则相位随x变化为： （x） （0）
（0） 2e c
d 2 d 2
Az B0 x
A ( x)dz
z
2e Az ( x)(d 2 )，其中（0） 2 1 c
（3）约瑟夫森效应的应用
（1）交流情况的推导 （2）交流情况的验证
加频率为ω的微波
2eV0 n(n 0,1,2)
1.设定n,ω,可测V0 2.设定V0和ω，可测 超导量子干涉仪
约瑟夫森效应_实验报告
一、实验目的1. 了解约瑟夫森效应的基本原理。
2. 观察并测量约瑟夫森效应现象。
3. 分析约瑟夫森效应的电流-电压关系。
二、实验原理约瑟夫森效应是指当两个超导体之间被一个极薄的绝缘层隔开时，在超导状态下，电流可以无损耗地通过这个绝缘层。
这一现象是由英国物理学家布赖恩·约瑟夫森在1962年提出的。
约瑟夫森效应是宏观量子效应的一种体现，其基本原理可以由以下方程式描述：\[ I = \frac{2e}{h} \frac{V}{2\pi} \]其中，\( I \) 是流过约瑟夫森结的电流，\( e \) 是电子电荷，\( h \) 是普朗克常数，\( V \) 是约瑟夫森结两端的电压差。
三、实验仪器与材料1. 约瑟夫森结2. 电流计3. 电压源4. 数字示波器5. 低温设备6. 超导材料7. 绝缘层四、实验步骤1. 准备实验装置，包括搭建低温环境，确保约瑟夫森结处于超导状态。
2. 使用电压源对约瑟夫森结施加直流电压，调整电压大小，观察电流计的读数。
3. 利用数字示波器记录不同电压下的电流波形。
4. 改变电压源，重复步骤2和3，得到一系列的电流-电压数据。
5. 分析数据，绘制电流-电压曲线，并拟合出约瑟夫森效应的电流-电压关系。
五、实验结果与分析1. 实验中观察到，当电压低于某一临界值时，电流几乎为零；当电压超过临界值时，电流随电压的增大而线性增加。
2. 根据实验数据，绘制了电流-电压曲线，并与理论公式进行了比较。
结果显示，实验结果与理论预测吻合较好。
3. 通过拟合电流-电压曲线，得到了约瑟夫森效应的临界电流值和比例常数。
六、实验结论1. 通过实验验证了约瑟夫森效应的存在，并观察到了其电流-电压关系。
2. 实验结果与理论预测相符，进一步证实了约瑟夫森效应的宏观量子特性。
3. 约瑟夫森效应在量子技术、超导电子学等领域具有广泛的应用前景。
七、实验讨论1. 实验过程中，低温设备的稳定性对实验结果有较大影响。
探索超导材料的约瑟夫森结超导电流传输演示实验
探索超导材料的约瑟夫森结超导电流传输演示实验引言：超导材料是具有零电阻和完全反射磁场的特性的独特材料。
约瑟夫森结是一种超导电流传输的重要现象，通过这个实验我们可以深入探索超导材料的特性和其中的复杂机制。
一、约瑟夫森结的理论基础定律：约瑟夫森效应约瑟夫森效应是指在两个超导体之间存在一薄层绝缘体时，可以观察到超导电流的传输现象。
约瑟夫森结的关键在于电子对的传输和相干性。
1.约瑟夫森结的实验装置准备（1）两个超导体片（可用铝或铅制成），尺寸适中，厚度一般为几百纳米。
（2）银膏，用于电容连接。
（3）金属导线和电阻。
（4）绝缘体衬底，用于支撑和隔离超导体片。
2.约瑟夫森结的实验过程（1）将两个超导体片通过银膏电容连接起来，使其相互绝缘。
（2）在超导体片的表面焊接金属导线，并接上电阻，形成电路。
（3）将整个实验装置放置于低温环境中，以保持超导体处于超导态。
（4）通过电压源向电路提供电流，观察约瑟夫森结的超导电流传输现象。
二、约瑟夫森结的应用1.超导传感器约瑟夫森结可用于制造高灵敏度的超导传感器，如超导量子干涉器（SQUID）。
SQUID利用约瑟夫森结中电流和磁通之间的关系，可测量极小的磁场变化，应用于磁共振成像、非破坏性检测等领域。
2.超导电子器件约瑟夫森结是超导电子器件中重要的组成部分，如超导量子比特（Qubit）。
通过利用约瑟夫森结中的超导电流传输特性，可以实现超导电子器件的精确控制以及量子计算等应用。
3.超导电能传输约瑟夫森结中的超导电流传输现象为超导电能传输提供了理论基础。
超导电能传输是一种高效的电能传输方式，可以实现远距离的高容量输电，减少能源损耗和环境污染。
三、其他专业性角度的探讨1.超导材料的选择约瑟夫森结的实验需要选择合适的超导材料，如铝或铅。
这些材料具有较高的临界温度和较长的超导电流传输长度，适用于实验的要求。
2.温度控制与液氮使用约瑟夫森结实验需要低温环境，通常使用液氮冷却系统进行温度控制。
超导电子学中的约瑟夫森结特性研究实验
超导电子学中的约瑟夫森结特性研究实验引言：超导电子学是物理学中一个重要的研究领域，它涉及超导材料中电子输运和相干性的特性。
超导材料通常在低温下表现出电阻为零的性质，这对于电子学应用来说具有重要的潜力。
约瑟夫森结（Josephson junction）是超导器件中的关键部分，其特性研究对于超导电子学的发展至关重要。
本文将详细介绍约瑟夫森结特性研究实验的过程和应用。
第一部分：约瑟夫森结的定律和原理约瑟夫森结是由两层超导体夹着一薄绝缘层形成的结构。
它是一种量子器件，依靠量子力学中的隧穿效应实现能量传输。
约瑟夫森结的特性研究基于两个重要的定律：约瑟夫森效应和量子干涉效应。
约瑟夫森效应描述了两个超导体之间的电子对在绝缘层内波函数的干涉现象。
当两个超导体的相位差为0时，电子对可以无阻力地通过约瑟夫森结，形成一个连续的电流。
而当相位差为π时，电子对的波函数发生相位反转，导致电流被完全阻断。
这种发生在约瑟夫森结中的量子干涉现象使得约瑟夫森结成为一种重要的电子器件。
第二部分：实验准备和过程实验中需要准备约瑟夫森结，以及用于测量其特性的设备。
首先，我们需要制备两层超导体和绝缘层。
超导体可以通过制备超导性材料，在低温下进行制备和处理来实现。
绝缘层通常使用氧化铝等材料，并采用分子束外延或物理气相沉积等技术制备。
制备完约瑟夫森结后，我们将其连接到电路中，并测量其输运特性。
在实验中，我们可以通过测量电压-电流（V-I）曲线和基于微波信号的量子干涉实验来研究约瑟夫森结的特性。
在V-I曲线实验中，我们通过在约瑟夫森结上施加不同的电压来测量其输出电流。
我们可以观察到V-I曲线中的关键特性，比如零电压电流和临界电流。
零电压电流代表着约瑟夫森结中的超导电流，而临界电流表示约瑟夫森结进入正常态的临界状态。
在量子干涉实验中，我们引入微波信号来探测约瑟夫森结的相位差变化。
通过改变微波信号频率或是约瑟夫森结的偏置电流，我们可以观察到干涉效应的变化。
直流和交流Josephson效应的研究
＋弛
其 中 是 与 电子 对 在 两 个 超 导 体 间跃 迁 幅 度 相 对应 的耦合 常数 ， 它与 结 的性质 有关 ， ｕ 和 是 Ｋ＝０ 时两个 超导 体各 自的基 态 能量 。将 和 代 人 （ ） ３
所说的 Ｊｓｐ ｓｎ方程 。 ｏｅｈｏ 关键 词 ： ｓｐ ｓｎ效应 ；ｅｎ ａ 型 ； ｓｐ ｓｎ方程 Ｊ ｅｈｏ ｏ Ｆ ｙｍ ｎ模 Ｊ ｅ ｈｏ ｏ Ｒｅｅ ｒ ｈ ｏ ｅ ｄｒ ｃ ｕ ｒ ｎ ｎ ｅ ａｔｒ ａ ｎ ｕ ｒ ｎ ｏ ｅ ｈ ｏ ｆｅ ｔ ｓａ ｃ ｆｔ ｉｅ ｔｃ ｒ ｅ ｔａ ｄ ｔ ｌｅ ｎ ｔ ｇ ｃ ｒ ｅ ｔＪ ｓ ｐ ｓ ｎ ｅ ｃ ｈ ｈ ｉ
ｕ ｔ ａ ｅ ｏ ｔｉ ｅ ｎ ｅ ｈ ｅ ａｎ ｃ ｎ ｉ ． ｑ ａｉｎ Ｃ ｌ ｂ ｂａ ｎ ｄ ｕ ｄ ｒｔ ｅ ｃ ｒ ｉ ｏ ｄ ｔ ｎ ｏ ｌ ｔ ｉ ｏ
Ｋｅ ｗｏ ｄ ：ｏｅ ｈｏ ｆ ｃ ，Ｆ ｙ ｍａ ｄ ｌ ｏｅ ｈｏ ｑ ａ ｏ ｙ ｒ ｓ Ｊｓｐ ｓｎ ｅ ｅ ｔ ｅｎ ｎｍｏ ｅ，Ｊ ｓｐ ｓｎ ｅ ｕ ｔ ｎ ｉ
ａ ｏ ｅｓ ｐ ｏｉ ｏ ｎ ｂａｎ ｅｓｒ ｔ ｏｅ ｈ ｏ ｑ ａ ｏ ｈｏ ｇ ｅｓｌｔ ｎｄｆ ｒｎ ａ ｑ ａ ｏ ．Ｔ ｅｒｓｌ ｈ ｗ ｔａ ｅＪ ｓｐ ｓｎｅ ｂ ｖ ｕ ｐ ｓｔ ｎａ ｄｏ ｔｉｅ ｔ ｔｃ ｓ ｐ ｓ ｎｅ ｕ ｔ ｎｔｒｕ ｈｔ ｏｕ ｏ ｉ ｅｅ ｔ ｌｅ ｕ ｔ ｎ ｈ ｅｕｔ ｓ ｏ ｔ ｏｅ ｈｏ — ｉ ｄ ｈ ｉ Ｊ ｉ ｈ ｉ ｉ ｉ ｓ ｈ ｔ ｈ
崔 雪梅
（ 延边大学师范学院 ， 延吉 １３ ０ ） ３ ０２ 摘要： 基于 Ｆ ｙｍ ｎ模型得到的 Ｊｓｐｓｎ方 程 ， ｅｎ ａ ｏｅｈｏ 在求解 过程 中采取了Ｐ ＝ ：的假设 ， 。ｐ 但这个假设 在数学处理上并不严格 。 为了得到严格 的结果 ， 未进行上述假设 ， 通过解微分方程得到 了严 格的 Ｊｓｐｓｎ方程 ， ｏｅｈｏ 结果显 示在一定条件下 才能得到 通常
低温物理实验：约瑟夫森效应
低温物理实验：约瑟夫森效应
约瑟夫森效应是指在低温条件下，电导率随温度下降而增加的现象。
这种效应
在超导体研究领域具有重要的意义，因为超导体正是在极低温下表现出零电阻和100%电导率的材料。
约瑟夫森效应的发现
约瑟夫森效应最早是由荷兰科学家约瑟夫·约瑟夫森（J. J. Thomson）在19世
纪末观察到的。
他发现一些金属在接近绝对零度的温度下会表现出异常的电导率行为，这一现象后来被称为约瑟夫森效应。
实验设备和步骤
为了观测约瑟夫森效应，我们可以通过以下实验步骤来进行：
1.实验材料准备：准备一个超导体样品和一个测量电导率的装置。
2.降温：将超导体样品放置在低温环境中，确保其温度接近绝对零度。
3.测量电导率：通过测量电流和电压的方法，来计算超导体的电导率。
4.记录数据：记录不同温度下的电导率数值，绘制成图表进行分析。
通过上述步骤，我们可以清楚地观察到约瑟夫森效应在超导体样品中的表现。
约瑟夫森效应的应用
约瑟夫森效应在超导体领域具有广泛的应用，例如在磁悬浮、MRI技术等方面
都有重要的作用。
研究约瑟夫森效应对于理解超导体的特性和开发相关技术具有重要意义。
结论
通过对约瑟夫森效应的实验研究，我们可以更深入地了解超导体在低温条件下
的特性，为超导体应用领域的发展提供重要的参考和支持。
希望通过本文的介绍，读者能对约瑟夫森效应有更清晰的认识。
以上就是关于低温物理实验中的约瑟夫森效应的简要介绍，希望对您有所帮助。
约瑟夫森效应的原理与应用
约瑟夫森效应的原理与应用约瑟夫森效应是电子对通过两块超导金属间的薄绝缘层（厚度约为10 ）时发生的量子力学隧道效应。
1962年,英国牛津大学研究生B.D.约瑟夫森首先从理论上对超导电子对的隧道效应作了预言，不久就为P.W.安德森和J.M.罗厄耳的实验观测所证实。
十多年来，它已在超导电性的研究领域内逐渐发展成为一个新的重要分支──约瑟夫森效应和超导结电子学。
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I c，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1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1 Sn-SnO x-Sn结构的电流和电压关系超导隧道结的临界电流对于外加磁场十分敏感。
I c不是外加磁场的单调函数，而是随着外磁场的增高，呈现如图2所示的周期性变化，类似于光学中的夫琅和费衍射图样。
相邻两最小值之间的磁场间隔H0与结面积的乘积正好等于一个磁通量子，即φ0= h/2e = 2.07×10－15韦伯。
图2 Sn-SnO x-Sn结的约瑟夫森电流和磁场的关系交流约瑟夫森效应如果在超导结的结区两端加上一直流电压V（当然，这时电流大于临界电流）,在结区就出现高频的超导正弦波电流，其频率与所施加的直流电压成正比，有如下关系式hω /2π = 2e/V 或 ν ＝ (2e/h)V比例常数2e/h=483.6×106 Hz/μV。
这时，结区以同样的频率（若所加电压是几微伏，则在微波区域；若为几毫伏，则在远红外波段）向外辐射电磁波。
超导隧道结这种能在直流电压作用下，产生超导交流电流，从而能辐射电磁波的特性，称为交流约瑟夫森效应。
如果用频率为□的微波辐照约瑟夫森结,当结的约瑟夫森频率ν等于ν~的n次倍频，即nν~＝2eV n/h (n＝0,1,2,…)时,外加微波和结辐射的电磁波发生共振，则在I-V特性上可以测到恒压电流,随着n=0,1,2,…, 在I-V特性上出现阶梯效应，如图3所示。
非线性电路中的混沌现象实验报告
竭诚为您提供优质文档/双击可除非线性电路中的混沌现象实验报告篇一：非线性电路混沌实验报告近代物理实验报告指导教师：得分：实验时间：20XX年11月8日，第十一周，周一，第5-8节实验者：班级材料0705学号20XX67025姓名童凌炜同组者：班级材料0705学号20XX67007姓名车宏龙实验地点：综合楼404实验条件：室内温度℃，相对湿度%，室内气压实验题目：非线性电路混沌实验仪器：（注明规格和型号）1.约结电子模拟器约结电子模拟器的主要电路包括:1.1,一个压控震荡电路,根据约瑟夫方程,用以模拟理想的约结1.2,一个加法电路器,更具电路方程9-1-10,用以模拟结电阻、结电容和理想的约结三者相并联的关系1.3，100khz正弦波振荡波作为参考信号2.低频信号发生器用以输出正弦波信号，提供给约结作为交流信号3.数字示波器用以测量结电压、超流、混沌特性和参考信号等各个物理量的波形实验目的：1.了解混沌的产生和特点2.掌握吸引子。
倍周期和分岔等概念3.观察非线性电路的混沌现象实验原理简述：混沌不是具有周期性和对称性的有序，也不是绝对的无序，而是可以用奇怪吸引子等来描述的复杂有序——混沌而呈现非周期性的有序。
混沌的最本质特征是对初始条件极为敏感。
1.非线性线性和非线性，首先区别于对于函数y=f(x)与其自变量x的依赖关系。
除此之外，非线性关系还具有某些不同于线性关系的共性：1.1线性关系是简单的比例关系，而非线性是对这种关系的偏移1.3线性关系保持信号的频率成分不变，而非线性使得频率结构发生变化1.4非线性是引起行为突变的原因2.倍周期，分岔，吸引子，混沌借用T.R.malthas的人口和虫口理论，以说明非线性关系中的最基本概念。
虫口方程如下：xn?1xn(1?xn)μ是与虫口增长率有关的控制参数，当1 1?，这个值就叫做周期或者不动点。
在通过迭代法解方程的过程中，最终会得到一个不随时间变化的固定值。
10V 约瑟夫森电压标准
。
因而 免 强 临 界 电流 密 度
结 的长度 结 的 宽度
70 A
m
本 文叙 述 了一 个改 进 型 的
阵列 题
。
,
该阵 列 解放 了稳 定 性 和 功 率 要 求 的 问
12卜 m
2 4林 m
2
.
阵 列 的设计
1
临 界 电流
,
2 0 0林 A
图
(略)
是 1 0 V 阵 列 它 是 先前 的 2 0 7 6 个
z
该微 带 线分 裂成 1 6 条 并联
,
8 7G H
支路
,
每 条支 路 都 有 1 1 8 7 个 结
。
6 条 微 带线 这1
,
端接 有 匹 配 负载 式 增加
“
。
支 路 间以 高 阻 抗 连 接
便
于所 有 1 8 9 9 2 个结 两端 的直
。
流 电压 以 串 联 的 形
3
.
制作
微带 线 中 的 隔 直 电 容器 防止 直 流 电压 在微 带线 中使 用 的
一
一
成象 ) 这 就 使 疵 点密 度减 小 大 约 两 个数 量级 其次
,
。
在 一 个相 当宽 的 频率 范 围 内得 到 一 个 远 远 大子
1 0v
正 好在势 垒氧 化 之 前
,
,
用 铅 镀在 电路 片
。
的 电 压 这种频 率特 性结 构 还不太 好 理解
。
。
,
周 围 的 阴 极上
以 给 出更能 复现 的 环 境
。
的波
导
5 0产
约瑟夫森效应的探讨
约瑟夫森效应的探讨
龙芸
【期刊名称】《湖北第二师范学院学报》
【年(卷),期】2011(000)008
【摘要】Superconductivity is macroscopic quantum phenomenon.In this paper,Josephson effect-one of basic superconductivity phenomena is introduced.The theory of direct current Josephson effect and alternating current Josephson effect are made a thorough discussion.And its simple applications are given finally.%超导电性是宏观量子现象。
本文介绍了超导电性基本现象之一的约瑟夫森效应,对直流和交流约瑟夫森效应的原理进行了深入探讨,最后对其应用作了简要说明。
【总页数】3页(P15-17)
【作者】龙芸
【作者单位】湖北第二师范学院理论物理研究所,武汉430205
【正文语种】中文
【中图分类】O511
【相关文献】
1.约瑟夫森效应和约瑟夫森元件的应用 [J], 陈清林
2.约瑟夫森效应及其应用的探讨 [J], 阚林生
3.塞曼效应对d波超导隧道结中约瑟夫森电流的影响 [J], 廖艳华;柯睿灵;乐启华;
王辛
4.约瑟夫森效应与超导量子电路的基本物理原理 [J], 宿非凡;杨钊华
5.物理所发现一新量子效应——光子约瑟夫森效应 [J],
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可编程约瑟夫森量子电压基准研究
间的差在ｌ×１０１的量级，比对结果达到先进水平。 （６）利用ＰＪＶＳ生成的伏秒磁通的复现不确定度２ ×１０一。建立伏秒基准后，有望将磁通测量的不确定度 提高２到３个数量级。此项技术属于创新型科研成果。
为建立交流量子电压基准奠定基础。课题于２０１０年８月
通过验收。
３研究意义
课题完成后，我国直流１伏量值传递能力大幅提升， １伏电压量值传递的技术水平重新回到国际先进行列，
必行。由于电压测量的不确定度会对质量自然基准的测量
度达到３．１×１０－６，优于课题预定５×１０－６的技术指标， 与国家交直流转换标准的间接比对在２“Ｖ以内。
不确定度产生２倍影响，因此，直流１Ｖ量值传递水平的 提高同时还能够为我国质量自然基准的研究项目提供重要 支持，具有重要意义。课题完成的直流电压测量不确定度 小于２×１０＿９，保证了电压对质量测量的影响在１０＿ｓ量级。 目前国内交流电压基准仍然使用实物基准，由于实 物基准稳定性不高，随着时间的推移，量值难免发生微 小的变化，交流量子电压的成功合成为进一步用自然基 准取代实物基准奠定了基础。课题自主研发的交流量子 电压合成装置能够成功合成频率２００Ｈｚ以下，峰值ｌＶ
术保障。嘲
国家科技支撑计划课题（２００６ＢＡＦ０６８０２）。
万方数据
可编程约瑟夫森量子电压基准研究
刊名： 英文刊名： 年，卷(期)： 中国科技成果 CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY ACHIEVEMENTS 2011(9)
本文链接：/Periodical_zgkjcg201109009.aspx
・
为进一步建立我国交流电压自然基准奠定了良好基础， 并有望今后进一步开展将交流约瑟夫森电压的应用扩展 到建立功率基准、校准热电偶等领域，为我国电学计量 工作的进步开展更丰富的研究工作。 可编程约瑟夫森量子电压基准的建立极大拓展了量 子电压的应用领域，同时进一步提高了国内整体直流电 压测量和检定的测量精度，为我国的高科技领域如国防 工业、航天航空以及精密仪器事业的发展提供了关键技
可编程约瑟夫森量子电压基准研究
量子电压精度的重要指标，士ｌＨｚ频率锁定技术为保证 量子电压的复现精度达到ｌ×ｌＯ叫１量级奠定了基础。 （２）自主制作的低温波导杆，微波能量损耗ｌｄＢ／ｍ， 保证了结阵器件对微波功率的需求。 （３）设计制作任意波形合成器，其中的关键设备“多 通路高速电流源驱动电路”为课题组自主研制，可以真正 合成幅值连续可调的方波、三角波、锯齿波等各种周期函 数。大大拓展了动态合成信号的应用领域，属于自主创新 技术。我们的创新工作还体现在如下优点：合成信号的幅 值可连续调节、操作简单、软件编程方便、造价低廉。
的交流量子电压，技术指标进入该研究领域的先进行列，
２关键技术及创新点
（１）用自主研制的微波源与反馈驱动电路组建微波 锁相环路，成功将微波频率锁定在±ＩＨｚ以内。目前，
美国国家标准技术研究院（ＮＩＳＴ）、德国联邦物理技术
研究院（ＰＴＢ）所达到的锁定水平也是士ｌＨｚ。
微波频率的锁定范围是评定约瑟夫森电压基准复现
l取得的科研成果课题完成了可编程约瑟夫森量子电压基准的建立工作并超额完成课题任务书中规定的2项重要技术指标1伏直流电压量值传递的不确定度达到1910优于课题原定指标510一动态信号的合成取得突破性进展在国内率先合成峰值lv60hz正弦信号复现不确定度达到31106优于课题预定5106的技术指标与国家交直流转换标准的间接比对在2v以内
提高了国际话语权。
ｌ取得的科研成果
课题完成了可编程约瑟夫森量子电压基准的建立工
作，并超额完成课题任务书中规定的２项重要技术指标 １伏直流电压量值传递的不确定度达到１．９×１０～，优于 课题原定指标５×１０一％动态信号的合成取得突破性进展，
在国内率先合成峰值ｌＶ、６０Ｈｚ正弦信号，复现不确定
质量单位千克是７个国际单位制基本单位之一，也 是用实物复现的基本单位，目前各国科学家正围绕着实现 质量自然基准开展大量研究工作，建立质量自然基准势在
约瑟夫森结研究
约瑟夫森结I-V特性及非线性的数值模拟彭加福（江苏科技大学数理学院，应用物理，0640502112）摘要：本文基于Matlab对约瑟夫森结（Josephson Junction）RCSJ模型的交直流I-V特性及非线性混沌现象进行数值模拟。
通过计算机数值模拟得到该模型的非线性微分方程数值解，研究了RCSJ模型中各参量对约瑟夫森结的影响，进而简要分析其I-V特性和非线性混沌现象的产生机理，绘制出约瑟夫森结的交直流I-V特性曲线、非线性微分方程的相图及因其高度非线性而引起的通过倍周期分岔和阵发性原理进入混沌状态的分岔图。
关键词：超导器件隧道效应约瑟夫森结弱耦合倍周期分岔庞加莱截面混沌1．引言自1911年荷兰科学家昂纳斯（H. K. Onnes）发现汞的超导现象以来，人们对超导进行了大量开拓性的研究，使超导理论]1[日趋成熟，与此同时，超导技术也在各个领域得到深入而广泛的应用]2[。
约瑟夫森效应的发现开拓了超导量子干涉仪（SQUID）在弱电方面的应用。
人们在对约瑟夫森效应进行研究的过程中发明了各种超导器件及应用电路]3[，促使超导技术应用的新领域——超导电子学逐渐发展起来。
在其中，因具有各种独特性（量子干涉、特殊的I-V 特性和高度的非线性等），约瑟夫森结得到广泛的研究和应用，并成为超导电子器件的核心部件。
实际使用中的约瑟夫森结总处于某一电路之中，因此，利用等效电路理论来研究和分析约瑟夫森结的物理行为是一种很有效的方法。
在各模型中，其物理行为均可用微分方程来描述，但这些方程大多不易直接求解析解，因而发展了很多间接解法]5[],4[。
其中，利用电路模拟（RCSJ模型和RSJ模型等等），如图1、图2所示，并用数值计算来研究约瑟夫森结的方法最直接，简易。
图1：RCSJ模型等效电路图2：RSJ模型等效电路Resistively Capacitance Shunted Junction Resistively Shunted Junction2． 约瑟夫森效应及约瑟夫森结简介1962年，约瑟夫森（B. D. Josephson ）提出：两块用绝缘薄层隔开且紧密地接近的超导体间，甚至在没有电势差的情况下，电子仍能够穿过绝缘薄层（隧道现象）。
用约瑟夫森阵列电压标准校准Fluke752A分压箱
用约瑟夫森阵列电压标准校准Fluke752A分压箱
王路;黄晶
【期刊名称】《宇航计测技术》
【年(卷),期】2001(021)001
【摘要】简述了用约瑟夫森阵列电压标准校准Fluke752A分压箱的方法。
对于
l0:1和rn100:1量程，其比例测量的不确定度分别为l×10-7和3×10-7。
【总页数】7页(P1-7)
【作者】王路;黄晶
【作者单位】中国航天机电集团二院203所;中国航天机电集团二院203所
【正文语种】中文
【中图分类】TM93
【相关文献】
1.利用约瑟夫森电压标准装置测量直流电阻分压箱 [J], 严明;刘民
2.工频电压比例标准多盘感应分压器校准线路分析及校准结果不确定度评定 [J], 刘罡;姜春阳;曾辉
3.约瑟夫逊阵列电压的校准系统：操作使用和检验 [J], Stei.,RL;张朝军
4.由一套共用微波源激励的1伏特约瑟夫森结阵列电压标准的比对 [J], Reyma.,D;张朝军
5.电阻分压箱法校准多功能标准源直流电压的测量不确定度评定 [J], 杨丽
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１ 引 言
处 于超 导状 态 下 的约 瑟 夫森 结 在微 波辐 照 下 ，
随着科 学 技 术 的 日益 发 展 ， 约瑟 夫 森结 阵 的研 究 得 到长足 发展 ， 加工 工艺 也越来 越成 熟 ， 响应 速 其 度 快 ， 阶电压 宽 ， 能稳 定 可 靠 ， 量 子交 流 电压 台 性 为 标 准 的研究 奠 定 了基 础 。 国际上开 始研究 用约 瑟夫 森效 应直 接复 现交 流 电压 ， 建立 量子 交流 电压标 准 ， 现 已取得 了很 大 进 展 。 目前 ， 国正 在 开 展 约森 夫 我
－
３・ ２
宇航 计 测技 术
２ １ 波 形合成 法 ．
利用 波形合 成法 来实 现约瑟 夫森 交流 电压标 准 所使 用 的超导结 为 二 进 制约 瑟 夫 森结 阵 ， 即各 段 结
阵 的单结 数 量 按 二 进 制 的排 列 为 １ ２ ） １ ２ ） ２ （ 。 ， （ 。 ，
（ ，（ ，（ ， ，Ⅳ ２ ） 阵 列 中共 有 ２ ２）４ ２ ）８ ２ ） … ２．（ ，
ＺＨＵ ｕ ＫＡＮＧ ｎ Ｗ ＡＮＧ ＨＵ ．ｅ Ｚｈ Ｙａ Ｌｕ Ｙｉｆｉ
（ ｅ ｉｇＩｓ ｔ ｅｏ ａｉ Ｍｅ ｏ ｇ ｎ ａｕｅ ｅ ｔ Ｂ ｉｎ ００ ９ Ｂ ｒｎ ｔｕ ｆ ｄｏ ｔ ｌ ｙａｄＭｅｓｒｍ ｎ ， ｅ ｉ １０ ３ ） ｎ ｉｔ Ｒ ｒｏ ｊｇ
文章编 号 ：００ ７０ （０ ２ ３ ０ ３ — ４ １０ — ２ ２ ２ １ ）０ — ０ １ ０
中图分类号 ： Ｍ ３ ． １ Ｔ ９ ３ ２
文献标识码 ： Ａ
基 于 约 瑟 夫 森 效 应 的 交 流 电压 标 准 研 究
朱 珠 康 焱 王 路 胡毅 飞
（ 北京 无线 电计量 测试研 究所 ， 北京 １０ ３ ） ０ ０ ９ 摘 要 叙述了基于约瑟夫森效应的交流电压标准的原理、 实现方法以及主要不确定度来源， 并对波形合
ｄ ｖ ｎ ｉ ｐ ｌｃ ｂ ｅ ｔ ｓａ ｌｓ ｉｈ—ｒ ｑ ｅ ｃ ｔｏｏ ｙ ｓａ ｄ ｒ ｉ ｒ ｅ ｓ ａ ｐ ｉ ａ ｌ ｏ ｅ ｔｂ ｉｈ ｈ ｇ ｆｅ ｕ ｎ ｙ ｍｅｒ ｌ ｇ ｔ ｎ ａ ｄ．
Ｋｅ ｏ ｄ Ｊｓｐ ｓｎｅ ｅｔ Ａ ｏ ａｅｓ ｎ ａｄ Ｓ ｎ ｅｉ ｗ ｖｆｒ ｓ Ｐ ｌ －ｒ ｅ ｙｗ ｒ ｓ ｏｅ ｈｏ ｆ ｃ Ｃ Ｖ ｈ ｇ ｔ ｄ ｙ ｔ ｓ ａｅ ｍ ｕｓ ｄ ｖｎ ａ ｒ ｈ ｓ ｏ ｅ ｉ
我 国 于 １９ ９ ３年 和 １９ ９ ９年 先 后 建 立 了 １ 和 Ｖ
２ 约 瑟 夫 森 交 流 电压 标 准 的 实现 方 法
目前 ， 国际上在约瑟夫森交流电压标准 的实现
上 有 两 种 不 同 的 方 法 ： 形 合 成 法 和 脉 冲 调 制 波
法 Ⅲ ］ 。
１Ｖ约瑟夫森量子 电压基准…。 ０
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｔｈ ｓｐ ｐ ｒ ｄ ｓ ｒｂ ｓｔ ｅ ｐ ｎ ｉ ｅ，ｒ ａｉａｉ ｎ ｍｅｈｏ ｓ ｏ ｏｔ ｇ ｔｎ ａ ｄ ｂ ｓ ｄ ｏ ｓｒ ｃ ｉ ａ ｅ ｅ ｃ ｅ ｈ ｒ ｃｐｌ ｉ ｉ ｅ ｌｚ ｔｏ ｔ ｄ ｆＡＣ ｖ ｌａ ｅ ｓａ ｄ ｒ ａ ｅ ｎ
： Ｋ （） １
结 的两端产 生直 流 电压 ， 瑟 夫森 结 电压 与 约 微波频 率 的关 系为
森交 流 电压标 准 的研 究 。
式 中 ， — 约瑟夫 森常 数 。 Ｋ— 自 １９ ９ ０年 １月 １日起 ， 国际上统 一采 用约 瑟夫 森常数 Ｋ一 ＝４ ３５７９ ＨｚＶ来 复 现各 国 的 电压 Ｊ０ ８ ９． Ｇ ／ ９ 单位 ； Ⅳ为约瑟 夫森 结 的 电压 台 阶数得到的交流 电压标准性能进行 比较 。波形合成法适 用于建立低频 计量标准 ， 脉 冲调制法适用于高频计量标准 。
关键 词 约瑟夫森效应 交流电压标准 波形合成 脉冲驱动
Ｒｅ ｅ ｒ ｈ ｏ ｓ ａ ｃ ｎ ＡＣ ｌ ｇ ｔ ｎ ａ ｄ Ｂａ ｅ ｎ Ｊ ｓ ｐ ｓ ｎ Ｅｆｅ ｔ Ｖｏｔ ｅ Ｓ ａ ｄ ｒ ｓ ｄ ｏ ｏ ｅ ｈ ｏ ｆ ｃ ａ
ｓ ｎ ｈ ｓ ａ ｅ ｏｍｓａ ｄ ｐ ｌ — ｒ ｅ ｓｃ ｍｐ ｒ ｄ ｈ ｏｔ ｇ ｔ ｎ ａ ｄ ｕ ｉ ｇ ｔ ｅ ｍｅ ｈ ｄ ｆｓ ｎ ｈ － ｙ ｔ ｅ ｉ ｗ ｖ ｆｒ ｎ ｕ ｓ ｄ ｖ ｎ ｉ ｏ ａ ｅ ．Ｔ ｅ ＡＣ ｖ ｌ ｅｓａ ｄ ｒ ｓ ｔ ｏ ｓｏ ｔ ｅ ｓ ｅ ｉ ａ ｎ ｈ ｙ ｓ ａ ｅ ｏｍｓｉ ａ ｐ ｉａ ｌ ｏ ｅ ｔ ｌ ｈ ｌｗ－ ｅ ｕ ｎ ｙ ｍｅｒ ｌｇ ｔ ｎ ａ ｄ ａ ｄ ｕ ｉ ｇｔ ｅ ｍｅｈ ｄ ｆ ｕ ｓ － ｉ ｗ ｖ ｆｒ ｓ ｐ ｌ ｂ ｅｔ ｓ ｉ ｏ ｆ ｑ ｅ ｃ ｔ ｏ ｙ ｓａ ｄ ｒ ｎ ｓｎ ｔ ｏ ｓｏ ｌ ｓ ｃ ｂ ａ ｓ ｒ ｏ ｈ ｐ ｅ
Ｊｓ ｐ ｓｎ ｅｆｃ ｎ ｏ ｒｅ ｆｕ ｃ ｒ ｉｔ ．Ｔ ｅｐ ｒ ｒ ｎ ｅｏ ｏｔｇ ｔｎ ａｄ ｕ ｉｇｔｅｍｅｈ ｄ ｆ ｏｅ ｈｏ ｆ ｔａ ｄ ｓｕ ｃ ｓｏ ｎ ｅｔ ｎｙ ｈ ｅｆ ｍａ ｃ ｆ ｅ ａ ｏ ＡＣ ｖ ｌ ｅｓａ ｄ ｒ ｓｎ ｔｏ ｓｏ ａ ｈ
２１ ０ ２年 ６月
宇航 计 测技 术
Ｊｕ ｎ ｌ ｆ ｔ ｎ ｕ ｉ Ｍｅｒｌｇ ｎ ａ ｕｅ ｎ ｏ ｒａ ｒ ａ ｔ ｔ ｏ ｙａ ｄ Ｍｅ ｓ ｒｍｅ ｔ ｏ Ａｓ ｏ ｃ ｏ
Ｊ ｎ ，０ ２ ｕ ．２ １
Ｖｏ ． ２。 １ ３ Ｎｏ． ３
第３ ２卷
第 ３期