约瑟夫逊效应

有这样一个神话故事：一个人，神通广大，冲着无缝的墙壁走去，他居然安全地“钻”了过去。这在现实生活中显然是荒唐的，但如果把这个人想象成微观粒子，那么畅通于能量壁垒之间的现象，比比皆是。

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我们可以作这样的一个夹层，它是由超导体 S1、绝缘层和超导体 S2 串联在一起的。由于超导体 S1 和 S2 没有电阻，可以认为夹层的电阻就该等于绝缘层的电阻。绝缘层的电阻恒定，按“理”说，它的伏安特性曲线是一条直线，但实际情况并非如此。原来这是一种量子力学现象。该夹层形成了一个能量壁垒，叫做势垒。该势垒好象一座大山，挡住了电子的去路。经典物理告诉我们，只有能量大于势垒的电子才可以翻越“大山”，能量小于势垒的电子是“爬”不到势垒那边的。然而按照量子力学，能量小的电子也能通过势垒大山，这是因为微观粒子具有波动的性质。波动性用波函数来表示，波函数的平方为找到粒子的几率。几率波是连续不断的，从而找到粒子的几率在空间也是连续的，因此在势垒之外，这个几率原则上不为零，这就是电子之所以通过绝缘层的原因。人们为形象地表示这个现象，把它比喻为在能量势垒下面开了个“隧道”，而这种现象叫做正常电子隧道效应。

1962 年，约瑟夫逊在 BCS 理论的基础上，经过一番理论研究之后指出： 上述的超导体 S1、绝缘层和超导体 S2 夹层，当绝缘层的厚度更薄时（约为10 埃，1 埃=10-10 米），该夹层中应该发生一种新奇的现象，这就是电子对隧道效应。第二年，科学实验证实了这个预言，人们为表彰约瑟夫逊的贡献，将该夹层叫约瑟夫逊结，把该现象叫做约瑟夫逊效应。

这个效应包括四个方面的内容。1、当约瑟夫逊结上的直流电流小于某一临界值 Ic 时，结上的电压为 0，即结中的绝缘层也变成了超导体。Ic 介于几十微安到几十毫安之间；2、结上的最大直流电流 Ic 受磁场影响，随磁场的变化，Ic 出现周期性变化；3、当通过结的电流大于该临界值时，结上出现电压，即出现正常电子隧道效应，与此同时还出现了一个高频交流电流；4、当用一定效率的电磁波照射处于一定外加电压的结时，通过结区的电流会突然增加。更有趣的是，当外加电压从小变大时，与此相应的电流呈现阶梯式的跳跃变化，在直流伏安特性曲线上出现一系列的电流阶梯，每个阶梯的高度有大有小，但宽度却是严格一致的。这就是说，每当电压增加一个特定数值时，电流就出现一次突变。

这个效应虽然是量子效应，但却可以在宏观尺度上观察到，因此它的发现立刻震惊了整个物理学界，真可谓是超导电技术发展史上的一个重要的里程碑。