约瑟夫森效应:修订间差异
→應用: // Edit via Wikiplus |
Add 1 book for verifiability (20241217sim)) #IABot (v2.0.9.5) (GreenC bot |
||
(未显示10个用户的34个中间版本) | |||
第1行: | 第1行: | ||
{{noteTA|G1=物理學|G2=Electronics}} |
{{noteTA|G1=物理學|G2=Electronics|1=zh-hans:约瑟夫森结;zh-hant:約瑟夫森接面;}} |
||
[[File:NISTvoltChip.jpg|thumb|由美國[[國家標準技術研究所]]所研發、作為標準電壓之約瑟夫森接面陣列晶片]] |
[[File:NISTvoltChip.jpg|thumb|由美國[[國家標準技術研究所]]所研發、作為標準電壓之約瑟夫森接面陣列晶片]] |
||
'''約瑟夫森效應'''是一種橫跨[[約瑟夫森接面]]的{{tsl|en|supercurrent|超電流}}現象{{efn|不施加任何[[電位差]] |
'''約瑟夫森效應'''({{lang-en|Josephson effect}})是一種橫跨[[約瑟夫森接面]]的{{tsl|en|supercurrent|超電流}}現象{{efn|不施加任何[[電位差]]就能無限持续流动的電流。}}。約瑟夫森接面由二個互相微弱連接的[[超导现象|超導體]]組成,而這個微弱連結的組成结构可以是一个薄的絕緣層(稱為{{tsl|en|Superconducting tunnel junction|超導穿隧接面|超導體–絕緣體–超導體接面}},簡稱{{lang|en|S-I-S}}),一小段非超導金屬(簡稱{{lang|en|S-N-S}}),或者是可弱化接觸點超導性的狭窄部分(簡稱{{lang|en|S-s-S}})。 |
||
約瑟夫森效應是{{tsl|en|macroscopic quantum phenomenon|巨觀量子效應}}的 |
約瑟夫森效應是{{tsl|en|macroscopic quantum phenomenon|巨觀量子效應}}的一種体现。它以英國物理學家[[布赖恩·约瑟夫森]]命名,這位物理學家在1962年提出了弱連結上的電流與電壓關係式<ref>{{cite journal|author=Josephson, B. D.|title=Possible new effects in superconductive tunnelling|journal=Physics Letters|volume=1|issue=7|pages=251|year=1962|doi=10.1016/0031-9163(62)91369-0}}</ref><ref name=Joe>{{Cite journal |first=B. D. |last=Josephson |title=The discovery of tunnelling supercurrents |journal=Rev. Mod. Phys. |year=1974 |volume=46 |issue=2 |pages=251–254 |doi=10.1103/RevModPhys.46.251 |bibcode=1974RvMP...46..251J}}</ref>。直流約瑟夫森效應在1962年之前已經在實驗中被發現<ref>{{Cite web |last=Josephson |first=Brian D. |title=The Discovery of Tunneling Supercurrents (Nobel Lecture) |date=1973-12-12 |url=http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1973/josephson-lecture_new.pdf |access-date=2013-02-02 |archive-date=2017-08-09 |archive-url=https://web.archive.org/web/20170809100915/http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1973/josephson-lecture_new.pdf }}</ref>,但是當時被認為是「超短路」({{lang|en|super-shorts}})或者是絕緣層的破损導致超導體之間電子的傳遞。第一篇宣稱發現約瑟夫森效應的實驗論文是由[[菲利普·安德森]]和約翰·羅威爾所發表<ref>{{cite journal|last=Anderson|first=P W|author2=Rowell, J M|title=Probable Observation of the Josephson Tunnel Effect|journal=Phys. Rev. Letters|year=1963|volume=10|pages=230|doi=10.1103/PhysRevLett.10.230|accessdate=2012-05-16|bibcode = 1963PhRvL..10..230A }}</ref>。這篇論文的作者們因此获得專利,该專利從未被強制執行、但也從未被挑戰。 |
||
在約瑟夫森的預測之前,人們僅知道非超導狀態 |
在約瑟夫森的預測之前,人們僅知道非超導狀態的電子可以藉由[[量子穿隧效應]]流過絕緣層。約瑟夫森首次預測了超導狀態下[[庫柏對]]的穿隧現象,也因此獲得了1973年[[诺贝尔物理学奖]]<ref>{{cite web|url=http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1973/|title=The Nobel prize in physics 1973|accessdate=11-8-18|archive-date=2018-06-18|archive-url=https://web.archive.org/web/20180618204258/https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1973/}}</ref>。約瑟夫森接面在[[量子線路]]當中有許多重要的應用,例如[[超導量子干涉儀]]({{lang|en|SQUIDs}})、{{tsl|en|Superconducting quantum computing|超導量子計算}}以及{{tsl|en|Rapid single flux quantum|快速單磁通量子}}({{lang|en|RSFQ}})數位電子設備等。美國[[國家標準技術研究所]]對於1[[伏特]]的標準是由{{tsl|en|Josephson voltage standard|約瑟夫森電壓標準|19,000個串連的約瑟夫森接面陣列}}所達成的<ref>{{cite book|author=Steven Strogatz|title=Sync: The Emerging Science of Spontaneous Order|url=https://archive.org/details/syncemergingscie00stro|publisher=Hyperion|year=2003}}</ref>。 |
||
==特性== |
==特性== |
||
[[File:JosephsonJunction1.svg|thumb|约瑟夫森 |
[[File:JosephsonJunction1.svg|thumb|约瑟夫森结的示意圖]] |
||
每一个约瑟夫森结都具有一个临界电流(电流大小与图中蓝绿色部分的宽度和电子[[能带]]结构等有关)。如果流过约瑟夫森结的电流小于这个临界电流,则约瑟夫森结上无电压降。电流稍大于临界值,就会发生 |
每一个约瑟夫森结都具有一个临界电流(电流大小与图中蓝绿色部分的宽度和电子[[能带]]结构等有关)。如果流过约瑟夫森结的电流小于这个临界电流,则约瑟夫森结上无电压降。电流稍大于临界值,就会发生多重[[安德烈夫反射]]。电流大到使结两边电压差超过图中[[超导体]]的[[带隙]]时,电流-电压关系就变得线性,多重安德烈夫反射消失。 |
||
==應用== |
==應用== |
||
[[File:Josephson junction symbol.svg|thumb|約瑟夫森接面的[[電路符號]]]] |
[[File:Josephson junction symbol.svg|thumb|約瑟夫森接面的[[電路符號]]]] |
||
約瑟夫森接面有許多種類,例如{{tsl|en|pi Josephson junction|pi型約瑟夫森接面}}、{{tsl|en|varphi Josephson junction|varphi型約瑟夫森接面}}、{{tsl|en|long Josephson junction||長型約瑟夫森接面}} |
約瑟夫森接面有許多種類,例如{{tsl|en|pi Josephson junction|pi型約瑟夫森接面}}、{{tsl|en|varphi Josephson junction|varphi型約瑟夫森接面}}、{{tsl|en|long Josephson junction||長型約瑟夫森接面}}以及{{tsl|en|Superconducting tunnel junction|超導穿隧接面}}等。达依坶橋是一種約瑟夫森接面的[[薄膜]]變體,其弱連結由數[[微米]]尺度的超導導線所組成<ref>{{cite journal|author1=Anderson, P. W.|author2= Dayem, A. H.|title=Radio-frequency effects in superconducting thin film bridges|url=https://archive.org/details/sim_physical-review-letters_1964-08-10_13_6/page/n18|journal=Physical Review Letters|volume=13|issue=6|pages=195|year=1964|doi=10.1103/PhysRevLett.13.195}}</ref><ref>{{Cite web |
||
| last = Dawe |
| last = Dawe |
||
| first = Richard |
| first = Richard |
||
| 3 = |
|||
| title = SQUIDs: A Technical Report - Part 3: SQUIDs |
| title = SQUIDs: A Technical Report - Part 3: SQUIDs |
||
| date = |
| date = 1998-10-28 |
||
| url = http://rich.phekda.org/squid/technical/part3.html |
| url = http://rich.phekda.org/squid/technical/part3.html |
||
| format = website |
| format = website |
||
| 8 = |
|||
⚫ | |||
| accessdate = 2011-04-21 |
|||
| archive-url = https://web.archive.org/web/20110727172927/http://rich.phekda.org/squid/technical/part3.html |
|||
| archive-date = 2011-07-27 |
|||
| dead-url = yes |
|||
⚫ | |||
* [[ |
* [[超導量子干涉儀]]({{lang|en|SQUIDs}}),又稱超导量子干涉装置,是非常敏感的[[磁强计]]。這類儀器是藉由約瑟夫森效應運作的,在科学和工程中应用广泛。 |
||
* 當進行精确的[[计量学|计量]]時,约瑟夫森效应提供了一种具有完全再現性的[[頻率]]和[[電壓]]轉換。由於频率已由{{tsl|en|caesium standard|铯标准}}明确界定,约瑟夫森效应多用於給出1[[伏特]]的標準值,即{{tsl|en|Josephson voltage standard|約瑟夫森電壓標準}}。然而, [[國際度量衡局]]並没有因此調整[[国际单位制]]<ref>[[國際度量衡局|International Bureau of Weights and Measures]] (BIPM) |
* 當進行精确的[[计量学|计量]]時,约瑟夫森效应提供了一种具有完全再現性的[[頻率 (物理學)|頻率]]和[[電壓]]轉換。由於频率已由{{tsl|en|caesium standard|铯标准}}明确界定,约瑟夫森效应多用於給出1[[伏特]]的標準值,即{{tsl|en|Josephson voltage standard|約瑟夫森電壓標準}}。然而, [[國際度量衡局]]並没有因此調整[[国际单位制]]<ref>{{cite web|publisher=[[國際度量衡局|International Bureau of Weights and Measures]] (BIPM)|url=http://www.bipm.org/en/publications/si-brochure/section2-1.html#section2-1-1|title=SI brochure, section 2.1.: SI base units, section 2.1.1: Definitions|accessdate=2015-06-22|archive-date=2014-10-07|archive-url=https://web.archive.org/web/20141007203046/http://www.bipm.org/en/publications/si-brochure/section2-1.html#section2-1-1}}</ref><ref>{{cite web|url=http://www.bipm.org/en/publications/mises-en-pratique/electrical-units.html|title=Practical realization of units for electrical quantities (SI brochure, Appendix 2)|publisher=[[國際度量衡局|BIPM]]|date=2007-02-20|accessdate=2015-06-22|archive-date=2021-03-18|archive-url=https://web.archive.org/web/20210318002645/https://www.bipm.org/en/publications/mises-en-pratique/electrical-units.html}}</ref>。 |
||
* |
* [[单一电子晶体管]]通常用[[超导现象|超导]]材料製造,从而可利用约瑟夫森效应实现新颖的效果。这种装置称为“超导单电子晶体管”<ref>{{cite journal|last=Fulton|first=T.A.|year=1989|title=Observation of Combined Josephson and Charging Effects in Small Tunnel Junction Circuits|journal=Physical Review Letters|volume=63|issue=12|pages=1307–1310|doi=10.1103/PhysRevLett.63.1307|pmid=10040529|bibcode=1989PhRvL..63.1307F|display-authors=etal}}</ref>。 |
||
约瑟夫森效应也可用于精确测量[[基本电荷]],並以约瑟夫逊常数和冯克利青常数作表示。這二個常數與[[量子霍尔效应]]相關。 |
|||
* {{tsl|en|RSFQ|RSFQ}}數位電路是基於並聯的約瑟夫森接面。在這個情況,接面開關與一個帶數位資訊的[[磁通量量子]]<math>\scriptstyle\frac{1}{2 e}h</math>的釋放有關。 |
* {{tsl|en|RSFQ|RSFQ}}數位電路是基於並聯的約瑟夫森接面。在這個情況,接面開關與一個帶數位資訊的[[磁通量量子]]<math>\scriptstyle\frac{1}{2 e}h</math>的釋放有關。 |
||
== 參見 == |
== 參見 == |
||
{{commons category|Josephson effect}} |
{{commons category|Josephson effect}} |
||
{{portal box|物理 |
{{portal box|物理|電子學}} |
||
* [[约瑟夫森電流]] |
* [[约瑟夫森電流]] |
||
* |
* [[约瑟夫森能量]] |
||
*[[安德烈夫反射]] |
*[[安德烈夫反射]] |
||
*[[金兹堡-朗道方程]] |
*[[金兹堡-朗道方程]] |
||
*[[量子计算机]] |
*[[量子计算机]] |
||
*[[零點能量]] |
|||
==註釋== |
==註釋== |
||
第40行: | 第49行: | ||
==参考文献== |
==参考文献== |
||
===腳註=== |
|||
{{reflist}} |
{{reflist|2}} |
||
⚫ | |||
⚫ | |||
===書目=== |
|||
⚫ | |||
⚫ | |||
{{Authority control}} |
{{Authority control}} |
||
[[category:介观物理学|Y]] |
[[category:介观物理学|Y]] |
||
[[category:超导效应]] |
|||
[[Category:約瑟夫森效應]] |
[[Category:約瑟夫森效應]] |
2024年12月18日 (三) 04:11的最新版本
約瑟夫森效應(英語:Josephson effect)是一種橫跨約瑟夫森接面的超電流現象[a]。約瑟夫森接面由二個互相微弱連接的超導體組成,而這個微弱連結的組成结构可以是一个薄的絕緣層(稱為超導體–絕緣體–超導體接面,簡稱S-I-S),一小段非超導金屬(簡稱S-N-S),或者是可弱化接觸點超導性的狭窄部分(簡稱S-s-S)。
約瑟夫森效應是巨觀量子效應的一種体现。它以英國物理學家布赖恩·约瑟夫森命名,這位物理學家在1962年提出了弱連結上的電流與電壓關係式[1][2]。直流約瑟夫森效應在1962年之前已經在實驗中被發現[3],但是當時被認為是「超短路」(super-shorts)或者是絕緣層的破损導致超導體之間電子的傳遞。第一篇宣稱發現約瑟夫森效應的實驗論文是由菲利普·安德森和約翰·羅威爾所發表[4]。這篇論文的作者們因此获得專利,该專利從未被強制執行、但也從未被挑戰。
在約瑟夫森的預測之前,人們僅知道非超導狀態的電子可以藉由量子穿隧效應流過絕緣層。約瑟夫森首次預測了超導狀態下庫柏對的穿隧現象,也因此獲得了1973年诺贝尔物理学奖[5]。約瑟夫森接面在量子線路當中有許多重要的應用,例如超導量子干涉儀(SQUIDs)、超導量子計算以及快速單磁通量子(RSFQ)數位電子設備等。美國國家標準技術研究所對於1伏特的標準是由19,000個串連的約瑟夫森接面陣列所達成的[6]。
特性
[编辑]每一个约瑟夫森结都具有一个临界电流(电流大小与图中蓝绿色部分的宽度和电子能带结构等有关)。如果流过约瑟夫森结的电流小于这个临界电流,则约瑟夫森结上无电压降。电流稍大于临界值,就会发生多重安德烈夫反射。电流大到使结两边电压差超过图中超导体的带隙时,电流-电压关系就变得线性,多重安德烈夫反射消失。
應用
[编辑]約瑟夫森接面有許多種類,例如pi型約瑟夫森接面、varphi型約瑟夫森接面、長型約瑟夫森接面以及超導穿隧接面等。达依坶橋是一種約瑟夫森接面的薄膜變體,其弱連結由數微米尺度的超導導線所組成[7][8]。一個裝置的複雜度可用其約瑟夫森接面數作为基準衡量。約瑟夫森效應有廣泛的應用,例如:
- 超導量子干涉儀(SQUIDs),又稱超导量子干涉装置,是非常敏感的磁强计。這類儀器是藉由約瑟夫森效應運作的,在科学和工程中应用广泛。
- 當進行精确的计量時,约瑟夫森效应提供了一种具有完全再現性的頻率和電壓轉換。由於频率已由铯标准明确界定,约瑟夫森效应多用於給出1伏特的標準值,即約瑟夫森電壓標準。然而, 國際度量衡局並没有因此調整国际单位制[9][10]。
- 单一电子晶体管通常用超导材料製造,从而可利用约瑟夫森效应实现新颖的效果。这种装置称为“超导单电子晶体管”[11]。
约瑟夫森效应也可用于精确测量基本电荷,並以约瑟夫逊常数和冯克利青常数作表示。這二個常數與量子霍尔效应相關。
參見
[编辑]註釋
[编辑]参考文献
[编辑]腳註
[编辑]- ^ Josephson, B. D. Possible new effects in superconductive tunnelling. Physics Letters. 1962, 1 (7): 251. doi:10.1016/0031-9163(62)91369-0.
- ^ Josephson, B. D. The discovery of tunnelling supercurrents. Rev. Mod. Phys. 1974, 46 (2): 251–254. Bibcode:1974RvMP...46..251J. doi:10.1103/RevModPhys.46.251.
- ^ Josephson, Brian D. The Discovery of Tunneling Supercurrents (Nobel Lecture) (PDF). 1973-12-12 [2013-02-02]. (原始内容 (PDF)存档于2017-08-09).
- ^ Anderson, P W; Rowell, J M. Probable Observation of the Josephson Tunnel Effect. Phys. Rev. Letters. 1963, 10: 230. Bibcode:1963PhRvL..10..230A. doi:10.1103/PhysRevLett.10.230.
- ^ The Nobel prize in physics 1973. [11-8-18]. (原始内容存档于2018-06-18).
- ^ Steven Strogatz. Sync: The Emerging Science of Spontaneous Order. Hyperion. 2003.
- ^ Anderson, P. W.; Dayem, A. H. Radio-frequency effects in superconducting thin film bridges. Physical Review Letters. 1964, 13 (6): 195. doi:10.1103/PhysRevLett.13.195.
- ^ Dawe, Richard. SQUIDs: A Technical Report - Part 3: SQUIDs. 1998-10-28 [2011-04-21]. (原始内容 (website)存档于2011-07-27).
- ^ SI brochure, section 2.1.: SI base units, section 2.1.1: Definitions. International Bureau of Weights and Measures (BIPM). [2015-06-22]. (原始内容存档于2014-10-07).
- ^ Practical realization of units for electrical quantities (SI brochure, Appendix 2). BIPM. 2007-02-20 [2015-06-22]. (原始内容存档于2021-03-18).
- ^ Fulton, T.A.; et al. Observation of Combined Josephson and Charging Effects in Small Tunnel Junction Circuits. Physical Review Letters. 1989, 63 (12): 1307–1310. Bibcode:1989PhRvL..63.1307F. PMID 10040529. doi:10.1103/PhysRevLett.63.1307.
書目
[编辑]- B. D. Josephson. The discovery of tunnelling supercurrents. Rev. Mod. Phys. 1974, 46 (2): 251–254.
- Pablo Jalliro-Herrero; et al. Quantum supercurrent transistors in carbon nanotubes. Nature. 2006, 439: 953–956.