约瑟夫森效应的原理与应用

三个基本参数超导体的基本特性之一是零电阻(完全导电性)，就是说在超导临界转变温度之下，超导体可以在无电阻的状态下传输电流。

超导体的另一个基本特性是完全抗磁性。

也就是说超导体在处于超导状态时，可以完全排除磁力线的进入。

这个现象是迈斯纳（Meissner）和奥克森费尔德（Oschenfeld）在1933年发现的，所以称做迈斯纳效应。

严格说来，完全抗磁性是超导体的更本征的特性。

迄今为止，除了超导体外，还没有发现其它任何材料具有完全抗磁性。

而对于零电阻和非常小的电阻的区别，在量上是很难定义的，尤其是在测量中受到所使用仪器精度的限制。

所以人们在鉴别某种材料是否是超导体时，除了使用电阻法来测量样品的电阻外，更多的是使用磁测量的方法来测量样品的抗磁性。

当然，现在如果要鉴定某种材料是否是超导体，两种方法会同时使用，使结论更加准确。

即使在低于超导临界转变温度时，超导体也不是可无限制地通过电流而仍处于无电阻的状态。

当所通过的电流达到某一数值时，超导体将失去超导特性，变成具有电阻的一般正常导体。

在一定温度下（这个温度一定低于超导体的临界转变温度）这个使超导体转变成正常导体的电流值就称为该超导体临界电流。

为了更好地把超导体的超导载流能力与材料固有性质联系起来，人们一般用临界电流密度来表述超导体的载流能力。

临界电流密度定义为临界电流/超导体通流截面积。

另外，超导体在不同的温度下的临界电流密度是不同的。

温度越低，临界电流密度会越大。

所以在谈及临界电流密度时应指出是在什么温度下的临界电流密度。

超导体除了超导临界转变温度、临界电流密度外，还有一个重要的特征参数，这就是临界磁场强度。

当把一个超导体置于一个磁场中，在磁场的强度小于一个特定的数值时，超导体会表现出迈斯纳效应，把磁力线完全排斥在超导体之外，超导体内部的磁场为零。

当磁场的强度超过这个特定的数值时，磁力线就会进入超导体的内部，超导体也随之失去了超导的特性。

这个特定的磁场强度的数值就叫做该超导体的临界磁场强度。

超导体（英文名：superconductor），又称为超导材料，指在某一温度下，电阻为零的导体。

在实验中，若导体电阻的测量值低于10-25Ω，可以认为电阻为零。

超导体不仅具有零电阻的特性，另一个重要特征是完全抗磁性。

基本特性超导体具有三个基本特性：完全电导性、完全抗磁性、通量量子化。

完全导电性完全导电性又称零电阻效应，指温度降低至某一温度以下，电阻突然消失的现象。

完全导电性适用于直流电，超导体在处于交变电流或交变磁场的情况下，会出现交流损耗，且频率越高，损耗越大。

交流损耗是超导体实际应用中需要解决的一个重要问题，在宏观上，交流损耗由超导材料内部产生的感应电场与感生电流密度不同引起；在微观上，交流损耗由量子化磁通线粘滞运动引起。

交流损耗是表征超导材料性能的一个重要参数，如果交流损耗能够降低，则可以降低超导装置的制冷费用，提高运行的稳定性。

完全抗磁性完全抗磁性又称迈斯纳效应，“抗磁性”指在磁场强度低于临界值的情况下，磁力线无法穿过超导体，超导体内部磁场为零的现象，“完全”指降低温度达到超导态、施加磁场两项操作的顺序可以颠倒。

完全抗磁性的原因是，超导体表面能够产生一个无损耗的抗磁超导电流，这一电流产生的磁场，抵消了超导体内部的磁场。

超导体电阻为零的特性为人们所熟知，但超导体并不等同于理想导体。

从电磁理论出发，可以推导出如下结论：若先将理想导体冷却至低温，再置于磁场中，理想导体内部磁场为零；但若先将理想导体置于磁场中，再冷却至低温，理想导体内部磁场不为零。

对于超导体而言，降低温度达到超导态、施加磁场这两种操作，无论其顺序如何，超导体超导体内部磁场始终为零，这是完全抗磁性的核心，也是超导体区别于理想导体的关键。

[4]通量量子化通量量子化又称约瑟夫森效应，指当两层超导体之间的绝缘层薄至原子尺寸时，电子对可以穿过绝缘层产生隧道电流的现象，即在超导体（superconductor）—绝缘体（insulator）—超导体（superconductor）结构可以产生超导电流。

双jj管原理
双JJ管是一种特殊的超导电子器件，由两个相连的约瑟夫森结（Josephson junction，简称JJ）组成。

它是一种高性能的微波调制器和探测器，广泛应用于超导量子计算、量子通信和微波电子学领域。

双JJ管的工作原理基于约瑟夫森效应，该效应描述了两个超导电极之间的电流通过一个超薄绝缘层的现象。

当两个超导电极之间施加一个直流电压时，超薄绝缘层中的电子将会以量子隧道效应的方式穿过绝缘层，形成一个由电子对组成的超流。

在这个过程中，电子对将会形成一个特殊的量子相干态，使得电流通过超导电极之间的约瑟夫森结。

双JJ管的一个重要特点是具有非线性的电压-电流特性，这使得它可以被用作高灵敏度的微波探测器。

当微波信号通过双JJ管时，它将改变约瑟夫森结中的电流-电压特性，从而导致输出电压的变化。

通过测量这种变化，可以获得微波信号的幅度、相位和频率等信息。

双JJ管还可用作微波调制器，通过施加交变电压来改变约瑟夫森结的电流-电压特性。

这种调制器可以被用于生成和操控微波信号，广泛应用于超导量子计算中的脉冲序列控制和量子通信中的量子密钥分发等方面。

此外，双JJ管还可以作为超导量子比特（qubit）的基本元件之一。

通过将其集成到超导电路中，可以实现量子比特的控制和测量操作，从而构建起超导量子计算系统。

总之，双JJ管作为一种特殊的超导电子器件，具有非线性、高灵敏度和低噪声等优良特性，在超导量子计算、量子通信和微波电子学领域具有重要的应用前景。

实验十一 高温超导转变温度测量实验超导电性简称超导（superconductivity ），它是指某物质在温度低于某一定值时，出现电阻率为零的现象。

自20世纪20年代起，人们就开始对超导性的理论和应用做了大量的研究。

随着超导研究的进展，特别是20世纪80年代高温超导材料问世后，超导技术已开始广泛应用于科学研究和人类生活之中。

一．实验目的1．了解FD-TX-RT-II 高温超导转变温度测定仪的结构及使用方法；2．掌握液氮低温技术；3．利用FD--RT-II 高温超导转变温度测定仪，测量氧化物超导体YBa2CuO7的超导临界温度。

二．实验原理1．超导现象在所用气体中，氮具有最低的液化温度。

1908年，卡末林·昂尼斯（H ·Kammerlingh Onnes ）首先成功地液化了氮，利用液氮又获得了4.25～1.15K 的极低温度。

在新到达的低温范围内，昂尼斯进行了金属电阻随温度变化的研究。

1911年，他发现当温度降低时，汞的电阻率先平缓地减少，当温度T <4.2K 时，汞的电阻率突然降为零。

随后他又发现，除铜、金、银与铁等室温下的良导体以外，还有其他许多金属有此现象。

1913年他将这种新的物态定名为超导态（Superconducting State ），而将电阻率突然为零的温度称为超导体转变温度（inversiontemperature ）或临界温度，用T c 表示。

在昂尼斯之后，人们又陆续发现了许多其他金属或合金在低温下也能转变为超导态，但它们的转变温度不同。

由于这些金属的超导现象是在低温下获得，故这种超导现象也称为低温超导。

处在超导态的物质具有如下重要性质：1） 直流零电阻效应如前所述，当某些金属、合金和化合物的温度下降到T <T c 时，它们的电阻率突然降为零，处于超导态。

在超导态下，物质的电阻真的完全消失了吗？最灵敏的试验是超导环中的持续电流试验：将一金属环放在垂直于环平面的磁场中，将其冷却到超导的转变温度以下，然后撤去磁场，由电磁感应原理知，这时在环中产生感应电流。

超导电性及其在现代技术中的应用超导电性是一种物理现象，指的是一些特定材料在低于某一临界温度时，其电阻突然下降到零的现象。

这种状态下，电流可以在材料中无阻力地流动。

超导电性的发现为现代科学技术的发展带来了许多重要的应用。

1.超导体的临界温度：超导体的临界温度是指材料从正常态转变为超导态的温度。

不同材料具有不同的临界温度，有的材料的临界温度很低，接近绝对零度，而有的材料则相对较高。

2.超导体的迈斯纳效应：迈斯纳效应是指超导体能够排斥外部磁场，使得超导体内部磁场为零的现象。

这是超导体的一个重要特性，对于超导体的应用具有重要意义。

3.超导体的约瑟夫森效应：约瑟夫森效应是指两个超导体之间的电流可以通过一个绝缘层（弱连接）相互耦合的现象。

这个效应是超导体应用的基础，例如超导量子干涉器（SQUID）就是利用约瑟夫森效应制成的。

4.超导电性的应用：超导电性在现代技术中有广泛的应用，主要包括以下几个方面：a.超导磁体：超导磁体利用超导体的迈斯纳效应和电流的磁效应，可以产生强大的磁场。

超导磁体广泛应用于粒子加速器、磁共振成像（MRI）、磁悬浮列车（Maglev）等领域。

b.超导电缆：超导电缆利用超导体的低电阻特性，可以实现大功率传输。

超导电缆的研究和开发对于未来电力系统的升级和优化具有重要意义。

c.超导量子干涉器（SQUID）：SQUID是一种利用超导体的约瑟夫森效应制成的精密测量仪器，具有极高的灵敏度。

SQUID广泛应用于地质勘探、生物医学、物理学等领域。

d.超导量子计算：超导量子计算是利用超导体的量子特性进行计算的一种新型计算方式。

超导量子计算有望实现量子比特的固态实现，对于未来量子计算的发展具有重要意义。

超导电性作为一种特殊的物理现象，在现代技术中发挥着重要作用。

随着科学技术的不断发展，超导电性的研究和应用将会不断拓展，为人类社会带来更多的便利和进步。

习题及方法：1.习题：超导体的临界温度是多少？解题方法：查阅相关教材或资料，了解不同超导体的临界温度，并给出具体数值。

物理效应定律大全及解释在自然界中，存在着许多不同的物理效应定律，这些定律是描述物理现象和规律的基础。

通过研究这些定律，我们可以更好地理解宇宙的运行规律和各种现象的产生原因。

以下将介绍一些常见的物理效应定律及其解释。

1. 费曼定律费曼定律是由物理学家理查德·费曼提出的，它指出“你不了解某个东西，直到你尝试解释它给别人听”。

这个定律强调了沟通与理解的重要性，通过将复杂的物理概念简化为可被他人理解的形式，我们加深了自己对知识的理解，并提高了与他人交流的效果。

2. 狄拉克方程狄拉克方程是描述物质粒子行为的基本定律之一，它将薛定谔方程与相对论结合起来，描述了自旋为1/2的费米子。

狄拉克方程的提出开启了量子场论的发展进程，深刻影响了现代物理学的发展。

3. 磁场对电流的作用安培定律指出了磁场对电流的作用规律，即电流在外磁场中会受到磁力的作用，导致电流产生受力或受扭矩的效应。

这一定律在电磁学和电力工程中具有重要的应用，例如电动机、电磁感应等方面。

4. 约瑟夫森效应约瑟夫森效应是描述固体物质中电阻随温度的变化规律的定律，即当温度降低时，固体的电阻会急剧下降直至消失。

这一效应在超导体的研究中具有重要意义，也为低温物理学和超导体技术的发展提供了重要启示。

5. 光的干涉与衍射光的干涉与衍射是描述光波在传播过程中产生干涉和衍射现象的定律。

这些现象是光学中的基础理论，通过对光波的干涉和衍射现象的研究，我们可以揭示光的波动性质，并应用于光学仪器的设计与制造中。

6. 流体静力学流体静力学是研究流体静止状态下的力学性质的学科，根据推导出的数学方程和定律，可以描述流体受力平衡的情况。

流体静力学在水力学、气象学等领域有广泛应用，帮助我们理解大气、海洋和水力系统等自然现象。

结语物理效应定律的研究对于推动科学技术的发展和人类文明的进步起着重要作用。

通过了解这些定律，我们可以更好地理解自然界的规律，拓展科学知识的边界，为人类社会的发展贡献力量。

超导材料的特性、发展及其应用1.超导材料简介1.1 超导材料的三个基本参量超导材料是指在一定的低温条件下会呈现出电阻等于零以及排斥磁力线的性质的材料，其材料具有三个基本临界参量，分别是：1> 临界温度T c：破坏超导所需的最低温度。

T c是物质常数，同一种材料在相同条件下有确定的值。

T c值因材料而异，已测得超导材料T c值最低的是钨，为0.012K。

当温度在T c 以上时，超导材料具有有限的电阻值，我们称其处于正常态；当温度在T c以下时，超导体进入零电阻状态，即超导态。

2> 临界电流I c和临界电流密度J c：临界电流即破坏超导所需的最小电流，I c一般随温度和外磁场的增加而减少。

单位截面积上所承载的I c称为临界电流密度，用J c来表示。

3> 临界磁场H c：即破坏超导状态所需的最小磁场。

图1-1 位于球内的部分为超导状态超导材料的这些参量限定了应用材料的条件，因而寻找高参量的新型超导材料成了人们研究的重要课题。

以T c为例，从1911年荷兰物理学家昂纳斯发现超导电性(Hg，T c=4.2K)起，直到1986年以前，人们发现的最高的T c才达到23.2K(Nb3Ge，1973)。

1986年瑞士物理学家K.A.米勒和联邦德国物理学家J.G.贝德诺尔茨发现了氧化物陶瓷材料的超导电性，从而将T c提高到35K；之后仅一年时间，新材料的T c已提高到了100K左右。

如今，超导材料的T c最高已超过了150K[1]。

1.2 超导体的分类第Ⅰ类超导体：第I类超导体主要包括一些在常温下具有良好导电性的纯金属，如铝、锌、镓、镉、锡、铟等，该类超导体的溶点较低、质地较软，亦被称作“软超导体”。

其特征是由正常态过渡到超导态时没有中间态，并且具有完全抗磁性。

第I类超导体由于其临界电流密度和临界磁场较低，因而没有很好的实用价值[2]。

第Ⅱ类超导体：除金属元素钒、锝和铌外，第II类超导体主要包括金属化合物及其合金。