[科普中国]-超导隧道反应

超导隧道效应于20世纪60年代发现，它首先由约瑟夫森在理论上预言，后被实验证实，所以也叫约瑟夫森效应。此效应是在弱连接超导体中发现的。

简介20世纪60年代在超导研究中的一个重大发现是超导隧道效应，它首先由约瑟夫森在理论上预言，不久后即被实验证实，所以也叫约瑟夫森效应。这个效应是在弱连接超导体中发现的。

结构弱连接超导体是在两块超导体中间夹一块纳米厚度的绝缘膜，形成超导层-绝缘层-超导层（S-I-S）的结构，类似于夹层很薄的一块三明治，如图所示，称之为约瑟夫森结，也叫超导隧道结。由于中间的绝缘层比较薄，使两侧的超导体在电磁性质，上弱耦合在一起。假如，当有一很小的电流从超导体穿过绝缘层而流到另一超导体时，该电流没有超过这种结构的临界电流（I），则两侧的超导体层之间没有电压， 整个弱连接超导体呈现零电阻性。 两超导体中间的绝缘（真空，正常）层能让超导电流通过的现象即叫超导隧道效应。

形式及特点根据以上隧道结的原理，两块超导体中间夹一层金属也可形成约瑟夫森结（S-N-S）。进而中间不夹东西（真空），只是靠得很近也可形成约瑟夫森结（扫描隧道电子显微镜用的结）。约瑟夫森结还可以是两块超导体的点接触，或微桥接触等结构，其关键是让两块超导体间能有弱连接而导致隧道效应。弱连接超导体中的弱体现在两方面：一是结的临界电流（I）很小， 这意味着很小的电流就会破坏零电阻性；二是它对磁场极为敏感。在此，很弱的磁场是指通过结的磁通量只要变化Φo/2时就足以使通过结的电流从最大变到最小。

应用因为Φo是个极小的磁通量，利用这个对微弱磁通量极度灵敏的特性，制成了直流超导量子干涉器件（DC SQUID），它是超导量子干涉器件的一种。同样利用约瑟夫森结也制成了交流（射频） SQUID。约瑟夫森效应已成为微弱电磁信号探测和其他各种电子学应用的物理基础。另外还有一种叫单电子隧道结的隧道结，在该结上产生单电子隧道效应。单电子隧道效应是测量超导能隙的一个重要方法，扫描隧道电子显微镜（STM）就是根据单电子隧道效应的基本原理造成的。1

本词条内容贡献者为:

张尉 - 副教授 - 西南大学