约瑟夫森结I

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。

超导约瑟夫森结阵列振荡器研究超导约瑟夫森结阵列振荡器研究引言：超导约瑟夫森结阵列振荡器是一种基于超导约瑟夫森结（Josephson junction）的行波设备，广泛应用于微波、量子计算和量子调控等领域。

本文将介绍超导约瑟夫森结阵列振荡器的基本原理、特性分析，以及相关的研究进展。

一、原理及结构超导约瑟夫森结阵列振荡器是由一系列超导约瑟夫森结组成的，这些超导约瑟夫森结在电流变化下可产生微弱的直流电压。

当施加一个外部的交流电压时，约瑟夫森结结构能够将直流电压转变为交流电压，并在超导状态下产生高频振荡信号。

该结构利用超导材料的特性，在零阻抗状态下实现高频信号的传递和放大，使其成为微波领域的重要器件。

二、特性分析1. 高频特性：超导约瑟夫森结阵列振荡器具有很好的高频特性，能够在GHz量级下产生稳定的振荡信号。

这使得它在通信、雷达以及微波测量等领域有着广泛的应用。

2. 低能耗：超导约瑟夫森结阵列振荡器在工作时能耗极低，这是由于约瑟夫森结结构的超导特性，使得电流能在零电阻下流动，从而减少能量的损耗。

3. 相位噪声：超导约瑟夫森结阵列振荡器还具有较低的相位噪声，这是由于约瑟夫森结结构的非线性特性。

相位噪声的低程度使其在高频信号传输和精确测量等领域有着重要的应用潜力。

三、研究进展1. 结构优化：近年来的研究工作主要集中在超导约瑟夫森结阵列振荡器的结构优化上。

通过改变约瑟夫森结的尺寸、材料等参数，进一步提高器件的振荡频率和耐高频功率的能力。

2. 量子调控：超导约瑟夫森结阵列振荡器在量子计算和量子调控领域有着广泛的应用。

研究者们通过控制约瑟夫森结中的超导电流，实现了量子比特的操控和量子态的读取等操作。

3. 新材料研究：随着超导约瑟夫森结阵列振荡器的发展，新型的超导材料不断涌现。

例如，铁基超导材料在高温下具有超导特性，因此被广泛应用于超导约瑟夫森结阵列振荡器中，提高了其工作温度和性能。

四、应用前景由于超导约瑟夫森结阵列振荡器具有高频特性、低能耗和较低的相位噪声等优点，其在通信、量子计算以及精确测量等领域具有广阔的应用前景。

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。

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。

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）。