约瑟夫森结的电路模型及其在超导电子学中的应用
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。
超导原理与应用论文
H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y超导的原理与应用课程名称：院系：专业：姓名：学号：任课教师：1.1超导现象当把超导材料降到某个特定温度以下的时候，将进入超导态，这时电阻将突降为零（如图1-1所示），同时所有外磁场磁力线将被排出超导体外，导致体内磁感应强度为零，即同时出现零电阻态和完全抗磁性。
对于零电阻态，实验上已经证实超导材料的电阻率小于10-23mΩ∙cm，在实验精度允许范围内已经可以认为是零。
如果将超导体做成环状并感应产生电流，电流将在环中流动不止且几乎不衰减。
超导体的完全抗磁性并不依赖于超导体降温和加场的次序，也称为迈斯纳（Meissner）效应。
一个材料是否为超导体，零电阻态和完全抗磁性是必须同时具有的两个独立特征。
图1-1 金属Hg 在4.2K 以下的零电阻态1.2.1BCS 超导理论自从超导电性被发现以来，人们一直尝试从微观理论来解释超导现象，但直到1957年，美国科学家巴丁（Bardeen）、库柏（Cooper）和施里弗（Schrieffer）在《物理学评论》提出BCS理论，才很好解释大多数常规超导体的超导现象。
BCS 超导理论以近似自由电子模型为基础，是在电子—声子作用很弱的前提下建立起来的理论。
在BCS理论中，认为在费米面附近的电子之间除了有相互排斥库仑力直接作用力外，它们存在通过交换声子产生相互吸引间接作用力，由于相互吸引，费米附近的电子就会两两配对，形成所谓的库柏（Cooper）对。
当温度低于超导转变温度时（T<T c），库柏对就会在超导体内形成，这时库柏对可以在晶格当中无能量损耗地运动，形成超导电性。
其微观机制可以这样理解：电子在晶格中运动时，与附近格点的正电荷相互吸引，影响晶格点阵的振动，从而使晶格内局部发生畸变，形成一个局部区域的高正电荷区。
晶格局部畸变可以像波动一样在晶格中传播。
晶格振动产生的畸变而传播的点阵波的能量子，也就是声子。
超导研究与应用论文
从超导体的发现与研究中我们可以得到启发：不损耗电量的电线是存在的，在此我做一个大胆的猜想：与超导类似的，无额外损耗的热机是存在的，甚至可以说，无额外做功的机械是存在的，虽然说这有悖物理学热学上的三大定理，但我还是相信，这是有可能的，只是或许它要求的环境或条件更为苛刻。推而广之，我认为，物理学上的很多公认的定理都是可以被推翻的，我们的认识在我看来，还只是在人类最开始的仅以想象和观测作为依据的基础上做出了一些可观的进步而已，但这还是远远不够的，我们还没有完全摆脱我们的猜想和臆断，超导给了我们一个警醒，提醒我们现在还是远远不够的，我们的见识仍然很浅薄，我们仍然不够大胆的推翻自己信仰已久的一切，我们仍然很落后！用一句话来说，很多与常理相符的“无极端”的结论是可以推翻的。
接着昂尼斯又对多种金属、合金、化合物材料进行低温下的实验，发现它们中的许多都具有在低温下电阻消失、感应电流长期存在的现象。由于在通常条件下导体都有电阻，昂尼斯就称这种低温下失去电阻的现象为超导。在取得一系列成功的实验之后，昂尼斯立即正式公布这一发现，并且很快引起科学界的高度重视，昂尼斯也因此荣获1913年诺贝尔物理学奖。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。
隧道(Josephson)效应及其应用
隧道（Josephson）效应及其应用Josephson 效应josephson 效应 即 隧道效应 。
隧道效应由微观粒子波动性所确定的量子效应。
又称势垒贯穿。
考虑粒子运动遇到一个高于粒子能量的势垒，按照经典力学，粒子是不可能越过势垒的；按照量子力学可以解出除了在势垒处的反射外，还有透过势垒的波函数，这表明在势垒的另一边，粒子具有一定的概率，粒子贯穿势垒。
约瑟夫森效应属于遂穿效应，但有别于一般的隧道效应，它是库伯电子对通过由超导体间通过若连接形成约瑟夫森结的超流效应。
历史沿革1957年，江崎玲於奈在改良高频晶体管2T7的过程中发现，当增加PN 结两端的电压时，电流反而减少，他将这种现象解释为隧道效应。
1960年，美裔挪威籍科学家加埃沃通过实验证明了在超导体隧道结中存在单电子隧道效应。
1962年，英国剑桥大学实验物理学研究生约瑟夫森预言，当两个超导体之间设置一个绝缘薄层构成SIS 时，电子可以穿过绝缘体从一个超导体到达另一个超导体。
这一预言不久就为P.W.安德森和J.M.罗厄耳的实验观测所证实——电子对通过两块超导金属间的薄绝缘层（厚度约为10埃）时发生了隧道效应，于是称之为“约瑟夫森效应”。
隧道效应(势垒贯穿）设一个质量为m 的粒子，沿x 轴正方向运动，其势能为：这种势能分布称为一维势垒。
粒子在 x < 0 区域里，若其能量小于势垒高度，经典物理来看是不能越过势垒 达到 x > a 的区域。
在量子力学中，情况则不一样。
为讨论方便，我们把整个空间分成三个区域：在各个区域的波函数分别表示为Ψ1 Ψ2 Ψ3 。
=)(x U ,0,0U ax x ><和0ax ≤≤00U VOa IIIxIII)(),0(),0(a x a x x ≥I∏≤≤∏≤I ),()(212122x E dxx d m ϕϕ=- 0≤x三个区间的薛定谔方程简化为：方程的通解为：三式的右边第一项表示沿x 方向传播的平面波，第二项为沿x 负方向传播的平面波。
约瑟夫森效应的原理与应用
约瑟夫森效应的原理与应用1. 约瑟夫森效应是什么？嘿，朋友们！今天咱们聊聊一个听上去像外星科技的东西——约瑟夫森效应。
别担心，不是要给你们上物理课，而是想把这玩意儿讲得简单易懂。
简单来说，约瑟夫森效应是指在超导体之间有一层绝缘材料的时候，电流可以“穿越”这层绝缘，形成一种神奇的量子现象。
这就像是你走进一扇门，门本来是锁着的，但一瞬间，它就为你打开了。
这种现象是由物理学家约瑟夫森（Brian D. Josephson）在1962年发现的，真是个大才子！这个效应的核心是量子隧穿，听上去很高大上吧？实际上，它就是微观世界的魔法。
量子力学告诉我们，粒子在某些条件下可以“跳过”本来应该阻挡它们的障碍。
这就像你在冬天躲避寒风时，突然发现旁边有一个暖和的咖啡店，于是你毫不犹豫地“穿越”了那道风。
这样一来，电流就能在超导体之间无障碍地流动，真是太酷了！2. 约瑟夫森效应的原理2.1 超导体的秘密那么，约瑟夫森效应为什么会发生呢？首先得提到超导体。
超导体是一种在低温下电阻为零的材料，听上去是不是像是《星际迷航》里的科技？它们在特定条件下会展现出超能力——可以让电流流动而没有能量损耗。
就好比是你的老旧电脑，不管怎么开机，就是卡！而一旦你换成了最新款的，那可真是飞快，秒开各种应用。
2.2 量子隧穿的魅力接下来，我们再来聊聊量子隧穿。
简单来说，量子隧穿就像是在墙壁上打了个洞，你可以轻松穿过它。
这种现象在微观世界里随处可见，比如电子、原子等等，简直是微观世界的“无敌穿越者”。
当两个超导体之间夹着绝缘材料时，电子就可以通过“隧道”自由流动，形成电流。
这就像是你和朋友之间有一座大山，你们却能通过心理的默契瞬间“跨越”，真是神奇又浪漫。
3. 约瑟夫森效应的应用3.1 实际应用说到这儿，可能有小伙伴会问，约瑟夫森效应到底有什么用呢？其实它的应用可多了去了！首先，约瑟夫森接头是一种重要的电子元件，广泛用于量子计算机和超导量子干涉仪中。
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。
超导量子干涉器无损检测理论与仿真
2012年第30期(总第45期)科技视界Science &Technology VisionSCIENCE &TECHNOLOGY VISION科技视界0引言超导量子干涉器(SQUID)作为当今最灵敏的探测器之一,在很多领域得到了充分的应用。
SQUID 是基于约瑟夫森效应和磁通量子化效应基础上发展起来的超导量子干涉器件。
探伤基理主要是通过材料的磁性反常来探测缺陷。
如果导体中存在裂缝,电流(或涡流)在导体中流动时会绕过缺陷而重新分布。
通过SQUID 检测该电流产生的磁场就可以得到缺陷的相关信息。
1SQUID 检测原理直流超导量子干涉器的结构如图1所示:将2个约瑟夫森结并联在一起构成超导环路,就构成了SQUID 这种超导微电子器件。
在双结SQUID 中,两个超导路径未被短路,器件偏置电流略大于临界电流Ic。
可测量两端电压,观测直流I-V 特性,在解释有关SQUID 的工作原理时,主要的依据为超导环路中包含的总磁通量必须满足磁通量子化条件,不满足时将进行相关的补偿以达到该条件,即Φ=n Φ0(总磁通量为磁通量子的整数倍,其中Φ为磁通量子)。
(1)图1根据约瑟夫森方程,流经两结的结电流分别为:I 1=I c sin ø1 (2)I 2=I c sin ø2……(3)其中ø1,ø2分别为结的宏观量子相位差,I c 为临界电流。
在得到结1与结2的电流后,流过超导环的总电流I 为:I =I 1+I 2=I c sin φ1+I c sin φ2=2I c sin(φ1+φ2-φ12)cos(φ2-φ12) (9)由于相位差可以表示为Δφ=2e ћVt ,电压与时间的乘积可表示为磁通量Φ,于是可以得到Δφ=2e ћΦ因为有ћ=h 2πΦ0=h 2e 可得Δφ2=φ2-φ12=2eπh ø=πøø0 (10)将(10)代入(9)中可得总电流表达式为:I =2I c sin(φ1+πΦΦ0)cos(πΦΦ0)……(11)当sin(φ1+πΦΦ0)=1时,超导环中有最大电流:I max =2I c cos(πΦΦ0) (12)Φ=Φ外+Φ环=Φ外+Φ环 (13)环路电流定义为:I 环=12(I 1-I 2) (14)在前文中说过在解释有关SQUID 的工作原理时,主要的依据为超导环路中包含的总磁通量必须满足磁通量子化条件,下面我们分两种情况来讨论,即外加磁通量满足或者不满足磁通量子的整数倍。
低温超导体的研究与应用
低温超导体的研究与应用近年来，低温超导体的研究和应用得到了广泛关注。
低温超导体是指在极低温下（通常是液氮温度以下）具备完全电阻消失的特性，从而实现电流的无损传输。
这项技术的应用潜力巨大，涉及到许多领域，包括电力输送、电子设备和医学成像等。
低温超导体的研究始于上世纪初的海森堡，当时的科学家朱里奥·约瑟夫森发现，当金属被冷却到绝对零度时，电阻会突然消失。
这种现象后来得到了量子力学的解释，即电子在低温下形成了所谓的“库珀对”，使得电阻为零。
这项重大发现为物理学提供了全新的研究方向，也为低温超导技术的发展奠定了基础。
随着技术的进步和研究的深入，人们发现了许多低温超导体，包括铅、锡和铜氧化物等。
其中，铜氧化物被认为是最具潜力的低温超导体之一，其临界温度能够达到较高的值。
这为低温超导技术的应用提供了更广阔的空间。
低温超导体的应用首先在电力输送领域得到了迅速的发展。
传统的电力输送存在能量损耗和线路阻抗等问题，而低温超导技术可以实现电流的无损传输，从而提高输电效率。
例如，日本曾在1997年成功实现了一公里的低温超导电缆试验，结果表明超导电缆相对于传统电缆在输电损耗上有显著优势。
如果在实际应用中得到推广，将极大地提高电力输送效率，减少能源消耗和环境污染。
此外，低温超导体在电子设备领域的应用也备受瞩目。
目前，许多高性能的电子器件都需要应用到高频电路中，而低温超导技术正是能够满足这个需求的理想选择。
利用低温超导器件能够实现更高的工作频率和更低的噪声，从而提高电子设备的性能。
例如，在射频器件中，低温超导材料可以提供更低的损耗和更高的品质因数，使得通信设备的性能得到了显著提升。
最后，低温超导体在医学成像领域也有着广泛的应用。
MRI（磁共振成像）是一种非侵入式的医学成像技术，利用磁共振现象来观察人体内部结构。
而低温超导技术可以提供更强的磁场强度和更高的磁场稳定性，从而提高MRI的分辨率和对比度。
例如，金属氮化物超导材料具有较高的临界温度和超导特性，可以用于制造MRI的磁体。
第九章 约瑟夫森效应_472501025
V－结两端的电压
d 1 2 l －外磁场在势垒区附近的有效穿透深度
1，2
－势垒两侧超导体的伦敦穿透深度
l c
－势垒层厚度 －结中电磁波速度
1/ 2
1 c c 4Cd
1/ 2
l c d r
C为单位面积结电容， r 为相对介电常数， C r / 4l
J为Josephson穿透深度：
c 2 1/ 2 J ( ) 8edJ c
二、实验证实 1．半年后： P.W. Anderson and J. M. Rowell, Phys. Rev. Lett. 10, 230 (1963) 隧道结 表明：V＝0时存在超导电流？ 是否是漏电流 并观察到Ic受外加磁场影响 （采用磁屏蔽技术使地磁场的影响减少到6×10－3 Gauss） 实验温度为1.5 K Ic=0.65 mA，电流超过Ic，则结两端电压不为 零，呈现单电子隧道的I~V特性。
2k 2 / t
1 2 sin( 2 1 )
1 2 sin( 2 1 )
（9） （10） （11） （12）
1 k 2 1 / t cos(2 1 ) 1
2 / t
2 k
1 cos( 2 1 ) 2
/ t 2eV /
(18)
2ev0 2e V0 t sin( ' t ) 0 '
2ev0 j s j c sin[t sin( ' t ) 0 ] '
(19)
2e V0
利用 sin( z sin )
1 i 1 1 k 2 t 2 i 2 2 k 1 t
超导约瑟夫森结在频谱信息检测中的应用
（ ｅｅｒｈＩｓ ｔ ｅｏ Ｓ ｐｒ ｎ ｕｔ ｌ ｔ ｎｃ， ａｊ ｇＵ ｉｅ ｉ ， ａｊ ｇ １０ ３ Ｃ ｎ ） Ｒ ｓａ ｔｕ ｆ ｕｅｃ ｄ ｃ ｒ ｅ ｒ ｉｓ Ｎ ｎｉ ｎｖｒｔ Ｎ ｎ ｎ ０ ９ ， ｈ ａ ｃ ｎ ｉｔ ｏ ｏＥ ｃｏ ｎ ｓｙ ｉ ２ ｉ
统 的基础 上 ， 利用 小 型 制 冷机 得 到液 氮 温 区 ， 采 并
—
进行逆 Ｈｌ ｒ变换即可得 到信号 的频谱 ｓ 。利用 ｉｅ ｂｔ （
这个原理 搭建 的微 弱 电磁 辐射探测 设备不 需要另 外 的
叶苏俐 ， 许伟伟 ， 陈健 ， 张彩虹， 康琳 ， 吴培 亨
（ 南京大学超导 电子研究所 ， 南京 ２ ０９ ） １０ ３ 摘要 ： 开展了利用超导约瑟 夫森效应进行频谱检测 的研 究。利用小型 制冷机得 到液氮 温区环境 ， 并使探测 系统 小型化 、 智能化。利用 Ｄ Ｐ系统进行 数据采集 、 号处理及对整个 测量 系统 的控制。改进后 的系统检测 了约 １０ Ｈ 微 波辐照 的响 Ｓ 信 ０Ｇ ｚ 应， 展示 了超导约瑟 夫森结在频谱信息检测 中的优越性。 关键词 ：Ｈ ； Ｓ ；／ 超导约瑟夫森结 Ｔ ｚＤ Ｐ Ｄ Ａ； ．
Ａ ｓｒ ｃ ： ｅｅｒｈｏ ｅｓｅ ｔ ｌ ｎｏｍ ｔ ｎ ｄ ｔ ｔ ｎＷ ｓｄ ｎ ｉ ｏｅ ｈ ｏ ｎ ｔ ｎ ａ ａｋ ｒｅ ｄ ｖ ｅ ｍ ｌ—ｓ ｅ ｃ ｏ ｏｌ ｂｔ ａ ｔ Ｒ ｓａｃ ｎｔ ｃ ａ ｉ ｒ ａ ｏ ｅ ｃ ｏ ａ ｏ ｅｗ ｔ Ｊｓｐ ｓ ｎｊ ｃ ｏ ｓ ｅ ｌ ｅｉ ．Ｓ ａ ｈ ｐ ｒ ｆ ｉ ｅｉ ｈ ｕ ｉ ｎ ｃ ｌ ｉ ｒ ｃ ｏｅ ｚ ｙ ｒ
Ｋ ｙ ｒ ｓ Ｔ ｚ Ｄ Ｐ Ｄ Ａ， ｓｐ ｓ ｃ ｏ ｅ ｗｏ ｄ ： Ｈ ， Ｓ ， ／ Ｊ ｅ ｈ ｏ ｊ ｔ ｎ ｏ ｎ ｕ ｉ ｎ
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。
超导电子学(electronicsofsuperconductivity)百科小物理
超导电子学（electronicsofsuperconductivity）百科小物理广泛的阅读有助于学生形成良好的道德品质和健全的人格，向往真、善、美，摈弃假、恶、丑;有助于沟通个人与外部世界的联系，使学生认识丰富多彩的世界，获取信息和知识，拓展视野。
快一起来阅读超导电子学(electronicsofsuperconductivity)百科小物理吧~超导电子学（electronicsofsuperconductivity）超导电子学(electronicsofsuperconductivity)1962年约瑟夫(Josephson)从理论上提出了凝聚的库珀电子对在零电压下也有隧道效应，并为实验所证实。
之后，他对两超导层中间夹绝缘层，即S-I-S隧道结的计算又给出隧道电流j为：j=j0(V)sin [a0(V) a1(V)cos]V式中右边第一项即使在零电压(V=0)时也存在，通常称之谓约瑟夫森电流，它与隧道结二边的超导电子对波函数的相位差关系密切，这种特征显示着与通常的准粒子隧道效应不同，与此相联系的超电流隧道效应相关的现象一起称约瑟夫森隧道效应，也可包括直流约瑟夫森效应和交流约瑟夫效应等从广义上的理解。
上式右边第二项为准粒子隧道电流，第三项是与相关的准粒子隧道电流，它们只有在电压V0时才伴随显现。
伴随着约瑟夫森隧道效应开展的一系列理论、实验和应用的研究，特别是一系列超导量子器件(约瑟夫森器件)的诞生并进入电子学领域，形成了一个新的低温电子学重要领域，即超导电子学。
例如超导结可用于制作高频振荡放大、检波和混频等器件。
贾埃弗(I.Giaever)用超导结的单电子隧道效应可测量超导能隙和态密度以及它们与温度的关系等。
约瑟夫森超导隧道结制成的超导量子干涉器(SQUID)可用于灵敏度高达10-11GHz-1的磁强计和可测量至`10^{-15}VHz^{-1/2}`的电压计等，并可作为引力波探测和对生物磁性的研究等，如对人体代替作心电图的心磁图测检。
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Ａ ｓｒｃ ： ａｅ ｎ ｏｅ ｈｏ ｌ ｉ ｓ ａ ｉ ｕｔ ｄｌ ｆｈ ｓｐ ｓｎｊｎ ｔ ｎｉ ｉｔ ｄ ｃ ｄ ｈ ｉ ｂｔａ ｔ Ｂ ｓｄｏ ｓｐ ｓｎｒ ａ ｏ ， ｒ ｉｍｏｅ ｏ ｅ ｏｅｈｏ ｃ ｏ ｒ ｕ ｅ ．Ｔ ｅ ｒ Ｊ ｅ ｔｎ ｃｃ ｔ Ｊ ｕ ｉ ｓｎ ｏ ｃ—
关键 词 ： 约瑟 夫森结 ； 电路 模 型 ； 混沌行 为 ； Ｓ Ｑ电路 ； ＲＦ 相位 锁定 ；Ｑ Ｉ Ｓ ＵＤ 中图分类 号 ：Ｎ １ ， ５ １ ４ Ｔ ７ ０ ０ １ ． 文 献标识 码 ： Ａ 文章编 号 ：６ ３５ ９ （ ０ ０ ０ －７ －５ １７ —６ ２ ２ １ ） ５４ ６０
ｔｉ ｄ ｌｉ ｅ ｎｓｒ ｔｄ ｗｉｈ ｓｍｕ ａ ｉｎ ｒ ｓ ｌｓ，ｗｈ ｃ ｓ ｖ ｌ ｂ ｅ ｆ ｒｔ ｅ ｒ ｓ ａ ｃ ｆ ｓ ｐ ｒ ｏ ｄ ｃ ｉｅ ｈ ｓ ｍｏ ｅ ｓ ｄ ｍｏ ｔａ ｅ ｔ ｉ ｌ ｔ ｅ ｕ ｔ ｏ ｉｈ ｉ ａｕａ ｌ ｏ ｈ ｅ ｅ ｒ ｈ ｏ ｕ ｅ ｃ ｎ ｕ ｔ ｖ
Ｔｈ ｏ ｅ ｆｔ ｅＪ ｓ ｐ ｓ ｎ Ｊ ｎ ｔｏ ｎ ｔ ｐ ｉａｉｎ ｎ ｅＭ ｄ ｌｏ ｈ ｏ ｅ ｈ ｏ ｕ ｃｉｎ ａ ｄ ｉ Ａｐ ｌ ｔ ｓｉ ｓ ｃ ｏ
Ｓ ｅ ｃ ｎｄｕ ｔＶ ｅ ｔ ｏ ｃ ｕｐ ｒ Ｏ ｃ ｉ ｅ Ｅｌｃ ｒ ｎｉｓ
Ｓ Ａ Ｈ ｎ —ｕ ｎ ＷＡ Ｇ Ｚ ｅ ｇ Ｚ Ｏ ｉ ｇ ， Ｈ Ｏ Ｘｎｊ ， Ａ Ｇ Ｌ ｎ Ｔｅ ｅ Ｚ Ａ ｉ—ｅ Ｆ Ｎ ａ ，Ｙ Ｎ Ｓ ａ－ｎ — ｉ ｉ
ｅｅ ｔｏ ｉｓ ｌｃｒ ｎｃ ．
Ｋ ｙｗ ｒ ｓ Ｊｓｐ ｓｎｊｎｔ ｎ ｃ ｃ ｉｍ ｄｌ ｃ ａｔ ｅａｉ ； Ｓ Ｑ ｃ ｃ ｉ ； ｈ ｓ ｌｃｉｇ Ｓ Ｕ Ｄ ｅ ｏｄ ： ｏｅ ｈｏ ｃ ｏ ； ｉ ｕｔ ｏ ｅ； ｈ ｏ ｃ ｈ ｖ ｒ Ｒ Ｆ ｉ ｕｔ ｐ ａｅ ｏｋｎ ； Ｑ Ｉ ｕ ｉ ｒ ｉｂ ｏ ｒ ｓ
（ 南开 大学 信 息技 术科 学学院 ， 天津
摘
３０７ ） ０ ０ １
要： 为方便 约瑟 夫森结及 其相 关 电路 的仿真研 究 ， 据约 瑟夫森 方程 首次提 出了约 瑟夫森 结的 根
电路 模 型 ， 出了具体 的 电路 原理 图 ， 给 并进行 了封装 。利 用这 个模型 可 以对 约 瑟夫森结 的相 关特 性
ｔ ｓｍ ｄｌ ｃａ ｔ ｅ ａｉ ｓ ｐ ａｅｌ ｋｎ ， Ｓ Ｑ ｃ ｃｉａ ｄＳ Ｕ Ｄ ａｅｉ ｅｔ ａ ｄ ｈ ａ ｄ ｙｏ ｈ ｏ ｅ， ｈ ｏ ｃｂ ｈｖｏ ， ｈｓ ｃ ｉｇ Ｒ Ｆ ｉ ｕｔ ｎ Ｑ Ｉ ｒ ｖ ｓｇｔ ．Ｔ ｅｖｌ ｉ ｆ ｉ ｉ ｒ ｏ ｒ ｎ ｉ ｅ ｉｔ
分 方程 （ ） 然 后编 写程 序利 用 数值 方 法求 解微 分 组 ，
０ 引 言
约瑟 夫森 结 是超 导 电子 技术 的基 础 ， 它具 有极 低 的噪声 和非常低 的功 耗 ， 而且 可 以工作 在 极 高 的
方 程 （ ） 显 然 这 种 方 法 效率 低 ， 于 不 同 的 电路 组 ， 对 都 要 重 新 编 写 （ 者 修 改 ） 序 。也 有 小 组 采 用 或 程 Ｍ ｔ ｂ建立模 型 进行 仿 真 研 究 Ｊ但 是 这 种 方法 是 ａａ ｌ ６， 先 列 出系统 的微分 方 程 ， 然后 根 据 微 分方 程 建 立模 型进行仿 真 ， 这相 当 于采 用建 立 模 型 的方 法 来求 解
进 行深入 系统 的仿 真研 究 ， 样不 必 自己编 写程序 对 系统 的微 分方程 进行数值 求解 ， 这 大大提 高 了工 作 效率 。利用这 个模 型 ， 约瑟夫森 结 的混 沌行 为 、 位 锁 定特 性 、 Ｓ Ｑ 电路 和 Ｓ Ｕ Ｄ进行 了研 对 相 ＲＦ ＱＩ
究， 结果说 明 了模 型 的正确性 和 实用性 ， 型的建 立对 于促 进超 导 器件 的相 关研 究具有 一定意 义。 模
第 ５期 ２１ ０ ０年 １ ０月
中 国鼋； 唧雹 舛譬 阪学瓤
Ｊ ｕ ｎ ｌｏ Ｅ Ｔ ｏ ｒ ａ ｆＣＡ Ｉ
Ｖｏ ． １５ Ｎｏ． ５
０ｅ ． ２ ０ ｔ ０１
约 瑟夫 森 结 的 电路 模 型及 其在超 导 电子学 中的应用
沙宏泉 ， 王 争 ， 周铁 戈， 赵新杰 ， 方 兰 ， 阎少林
ｊｎ ｔ ｎ ｎ ｅ ｔｄｐｏ ｅｔ ｓ ｉ ｏｔ ｏ ｉｇｔｅ ｉｅｅｔ ｌ ｑ ａｉ ｆ ｈ ｙｔ ａｕ ｌ ．Ｂ ｓｄｏ ｕ ｃ ｏｓａｄｒｌ ｅ ｒｐ ｒｅ ｔ ｕ ｌ ｎ ｆ ｒｎｉ ｕ ｔ ｎｏ ｅｓｓ ｍ ｍ ｎ ａｙ ａｅ ｎ ｉ ａ ｉ ｗ ｈ ｓｖ ｈ ｄｆ ａｅ ｏ ｔ ｅ ｌ
ｃ ｉ ｏ ｅ ｍｏ ｅ ｓｐ ｅｅ ｔｄ ａ ｄ ｅ ｃ ｐ ｕａｅ ． Ｔ ｅ ｍｏ ｅ ａ ｅ ｕｅ ｎ ｔｅ ｒｓａｃ ｆＪ ｓｐ ｓｎ ｕｔ ｆｔ ｄ ｌｉ ｒｓ ｎｅ ｎ ｎ ａ ｓ ｌｔｄ ｈ ｈ ｄ ｌｃ ｎ ｂ ｓｄ ｉ ｈ ｅｅ ｒｈ ｏ ｏ ｅ ｈ ｏ
微 分方程 ， 方法 不 直 接 。 当然还 可 以对 系统 的微 分
频率 （ 至 Ｔ ｚ 。约 瑟 夫森 结 及 基 于约 瑟 夫 森 结 直 Ｈ）