[科普中国]-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，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。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（DC Josephson effect）。对于典型的结，临界电流一般在几十微安到几十毫安之间。

隧道效应当两块超导体通过一绝缘薄层(厚度为10埃左右)连接起来时，绝缘层对电子来说是一势垒，一块超导体中的电子可穿过势垒进入另一超导体中，这是特有的量子力学的隧道效应。当绝缘层太厚时，隧道效应不明显，太薄时，两块超导体实际上连成一块，这两种情形都不会发生约瑟夫森效应。绝缘层不太厚也不太薄时称为弱连接超导体。两块超导体夹一层薄绝缘材料的组合称S-I-S超导隧道结或约瑟夫森结。

直流约瑟夫森效应形成条件当S(超导体)-I(绝缘体)-S(超导体)隧道结两端的电压V=0时，结中可产生一个超导直流电流，这是由超导体中的库珀对的隧道效应引起的，且该电流与绝缘体两端相位差的正弦成正比，取值在-Ic与Ic之间。只要该超导电流小于某一临界电流Ic，就始终保持此零电压现象，Ic称为约瑟夫森临界电流。

超导隧道结的临界电流Ic对外加磁场十分敏感，甚至地磁场可明显地影响Ic。Ic不是外加磁场的单调函数，而是随着外磁场的增高，呈现周期性变化。也就是说当沿结平面加恒定外磁场时，结中的隧道电流密度在结平面的法线方向上产生不均匀的空间分布。改变外磁场时，通过结的超导电流Is随外磁场的增加而周期性地变化， 描出与光学中的夫琅和费单缝衍射分布曲线相似的曲线，称为超导隧结的量子衍射现象。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，即韦伯。1

应用在用于测量磁场的传感器中，有直流超导量子干涉器件(DCSQUID)23和射频超导量子干涉器件(RFSQUID)4两种。前者是把两个特性完全相同的超导结并联起来，形成双结超导环。若在与环面相垂直的方向施加一外磁场，则流经双结超导环的最大超导电流既是每个超导结结区所穿透的磁通量的周期函数，也是超导环所包围的磁通量的周期函数。两者的周期都是一个磁通量子。通常称之为双结量子干涉效应。射频超导量子干涉器件，是在一超导环上嵌一超导结构作出的。它们已在测量极低温下的核磁化率、超导体在Tc附近磁化率的涨落、在很宽温度范围内生物化学样品的磁化率，以及岩石磁力等方面应用。E.R.科恩等把磁强计用于监视心脏的活动功能，获得了清晰程度与医学上用的心电图接近的心磁图。

本词条内容贡献者为:

韩拯 - 研究员 - 中国科学院金属研究所