電子對通過兩塊超導金屬間的薄絕緣層（厚度約為10Å）時發生的量子力學隧道效應。1962年，英國牛津大學研究生B.D.約瑟夫森首先從理論上對超導電子對的隧道效應作瞭預言，不久就為P.W.安德森和J.M.羅厄耳的實驗觀測所證實。十多年來，它已在超導電性的研究領域內逐漸發展成為一個新的重要分支──約瑟夫森效應和超導結電子學。

　　直流約瑟夫森效應　當直流電流通過超導隧道結時，隻隻要電流值低於某一臨界電流Ic，則與一塊超導體相似，結上不存在任何電壓，即流過結的是超導電流。但一旦超過臨界電流值，結上即出現一個有限的電壓，結的性狀過渡到正常電子的隧道特性。圖1給出瞭典型的I-V特性曲線。這種超導隧道結能夠承載直流超導電流的現象，稱為直流約瑟夫森效應。對於典型的結，臨界電流一般在幾十微安到幾十毫安之間。

　　超導隧道結的臨界電流對於外加磁場十分敏感。Ic不是外加磁場的單調函數，而是隨著外磁場的增高，呈現如圖2所示的周期性變化，類似於光學中的夫瑯和費衍射圖樣。相鄰兩最小值之間的磁場間隔H0與結面積的乘積正好等於一個磁通量子，即

韋伯。

　　交流約瑟夫森效應　如果在超導結的結區兩端加上一直流電壓V（當然，這時電流大於臨界電流），在結區就出現高頻的超導正弦波電流，其頻率與所施加的直流電壓成正比，有如下關系式

，

比例常數2e/h=483.6×106Hz/XV。這時，結區以同樣的頻率（若所加電壓是幾微伏，則在微波區域；若為幾毫伏，則在遠紅外波段）向外輻射電磁波。超導隧道結這種能在直流電壓作用下，產生超導交流電流，從而能輻射電磁波的特性，稱為交流約瑟夫森效應。

　　如果用頻率為ṽ的微波輻照約瑟夫森結，當結的約瑟夫森頻率v等於ṽ的n次倍頻，即

　　 nṽ＝2eVn/h (n＝0，1，2，…)時，

外加微波和結輻射的電磁波發生共振，則在I-V特性上可以測到恒壓電流，隨著n=0，1，2，…， 在I-V特性上出現階梯效應，如圖3所示。有人以 10GHz的輸入頻率已觀察階梯數高於500。

　　呈現約瑟夫森效應的結構，通常稱為約瑟夫森結、超導結或弱連接超導體。

　　物理解釋　由BCS理論（見超導微觀理論）知道，庫珀對是長程有序的，因此在一塊超導體中所有的庫珀對具有相同的位相。如果圖2所示的兩塊超導體中間的絕緣層較厚，則兩塊超導體中電子無關聯， 各自具有獨立的位相φ1和φ2。當絕緣層減小到某一厚度後，兩塊超導體中的超導電子就以位相差 φ＝φ1-φ2聯系起來。這時的絕緣層就成為一個“弱”超導體。庫珀對可通過這個“弱”超導體而出現超流隧道或電子對隧道效應。約瑟夫森從理論上得到超導隧道電流密度Js與位相差的關系為

，

式中Jc與兩塊超導體的性質和絕緣層的厚度以及所處的溫度有關。

　　約瑟夫森同時指出，位相φ受電壓V或磁場H)的調制，φ與V或H)的關系為

式中約瑟夫森穿透深度

和 d分別為超導體1和2的磁場穿透深度， d為絕緣層厚度， r為垂直於結平面的單位矢量。

　　如果隻在結兩端加恒電壓V，則

這就是交流約瑟夫森效應。

　　如果隻加一平行於結面的磁場，則

，

式中

對結面積積分就可以得到結的總電流

式中

； 是穿透到約瑟夫森結中的磁通量， 是磁通量子。 I s的最大值為

它和實驗測得的超導量子衍射結果相符合。

　　約瑟夫森效應在器件上的應用　基於約瑟夫森效應是與超導弱耦合的概念緊密相關這一認識，人們就脫離瞭隧道現象的狹窄范圍，擴大瞭結的類型。現在常用的超導結的結構形式如圖4所示。表給出瞭把約瑟夫森元件應用於一些精密測量時可達到的分辨能力。它們可以作用電壓標準、磁強計、伏特計、安培計、低溫溫度計、計算機元件，以及毫米波、亞毫米波的發射源、混頻器和探測器等，且有靈敏度高、噪聲低、功耗小和響應速度快等一系列優點。現今已發展起以建立極靈敏的電子測量裝置為目標的“超導結電子學”，與超導磁體一起成為超導電性的兩項重大應用。

約瑟夫森元件用於精密測量時的分辨能力

　　目前，用於測量磁場的傳感器，有直流超導量子幹涉器件(DCSQUID)和射頻超導量子幹涉器件(RFSQUID)兩種。前者是把兩個特性完全相同的超導結並聯起來，形成雙結超導環，如圖5a所示。若在與環面相垂直的方向施加一外磁場，則流經雙結超導環的最大超導電流既是每個超導結結區所穿透的磁通量的周期函數，也是超導環所包圍的磁通量的周期函數。兩者的周期都是一個磁通量子。通常稱之為雙結量子幹涉效應（圖5b）。射頻超導量子幹涉器件，如圖6所示，是在一超導環上嵌一超導結構作出的。它們已在測量極低溫下的核磁化率、超導體在Tc附近磁化率的漲落、在很寬溫度范圍內生物化學樣品的磁化率，以及巖石磁力等方面應用。E.R.科恩等把磁強計用於監視心臟的活動功能，獲得瞭清晰程度與現在醫學上用的心電圖接近的心磁圖。

　　利用交流約瑟夫森效應來監視電壓單位的基準器，已在美國、日本、英國和加拿大立為法定的保持電壓基準器的方法。

　　約瑟夫森效應提供瞭一種精密地測量基本常數 e/h的新方法，已經測得

　　　　 2e/h＝483.593718±0.00060MHz/XV

，

其誤差為0.12×10-7。

　　

參考書目

　L. Solymar， Superconductive Tunneling and Applications，Chapman and Hall， London， 1972.

　Newhouse and L.Vernon，ed.，Applied Superconduc-tivity，Vol.1，Academic Press， New York， 1975.

　吳杭生、管惟炎、李宏成：《超導電性·第二類超導體和弱連接超導體》，科學出版社，北京，1979。