由兩塊超導(dǎo)體夾而構(gòu)成的結(jié)構(gòu)

由很薄的絕緣體或正常導(dǎo)體隔開(kāi)，或由截面很小的超導(dǎo)橋隔開(kāi)，因而僅存在弱耦合的兩個(gè)超導(dǎo)體形成的結(jié)。 

約瑟夫森結(jié)（Josephson junction），或稱(chēng)為超導(dǎo)隧道結(jié)。一般是由兩塊 超導(dǎo)體夾以某種很薄的勢(shì)壘層 ( 厚度 ≤ Cooper電子對(duì)的相干長(zhǎng)度)而構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，例如S(超導(dǎo)體)—I(半導(dǎo)體或絕緣體)—S(超導(dǎo)體)結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)稱(chēng)SIS。在其中超導(dǎo)電子可以通過(guò)隧道效應(yīng)而從一邊穿過(guò)半導(dǎo)體或絕緣體薄膜到達(dá)另一邊。不過(guò),實(shí)際上只要是兩塊弱耦合(耦合區(qū)尺寸≤Cooper電子對(duì)的相干長(zhǎng)度)的超導(dǎo)體都可構(gòu)成Josephson結(jié)，不一定需要采用隧道結(jié)的形式。

優(yōu)點(diǎn): 接近[敏感詞]零度的溫度下交換速度快

簡(jiǎn)介

約瑟夫森結(jié)是以英國(guó)物理學(xué)家布賴(lài)恩·約瑟夫森命名，在約瑟夫森的預(yù)測(cè)之前，人們僅知道非超導(dǎo)狀態(tài)的的電子可以借由量子隧穿效應(yīng)流過(guò)絕緣層。約瑟夫森首次預(yù)測(cè)了超導(dǎo)狀態(tài)下庫(kù)珀對(duì)的隧穿現(xiàn)象，也因此獲得了1973年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

約瑟夫森結(jié)由兩個(gè)超導(dǎo)體構(gòu)成，它們被一個(gè)非常薄的非超導(dǎo)電層隔開(kāi)，所以電子能夠穿過(guò)絕緣層。當(dāng)沒(méi)有電壓時(shí)超導(dǎo)體間的電流稱(chēng)作約瑟夫森電流（Josephson current），而電子通過(guò)障礙物的運(yùn)動(dòng)稱(chēng)作約瑟夫森隧穿（Josephson tunneling）。通過(guò)超導(dǎo)路徑連結(jié)在一起的兩個(gè)或多個(gè)結(jié)就構(gòu)成了所謂的約瑟夫森干涉儀（Josephson interferometer）。

電子能通過(guò)兩塊超導(dǎo)體之間薄絕緣層的量子隧道效應(yīng)。1962年由B.D約瑟夫森首先在理論上預(yù)言，在不到一年的時(shí)間內(nèi)，P.W.安德森和J.M.羅厄耳等人從實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了約瑟夫森的預(yù)言。約瑟夫森效應(yīng)的物理內(nèi)容很快得到充實(shí)和完善，應(yīng)用也快速發(fā)展，逐漸形成一門(mén)新興學(xué)科——超導(dǎo)電子學(xué)。

電壓-電流特性

當(dāng)約瑟夫森結(jié)兩端的電流，超過(guò)它的臨界電流后，它就會(huì)轉(zhuǎn)換到有電壓的狀態(tài)同時(shí)釋放一個(gè)磁通量子。一個(gè)約瑟夫森結(jié)的臨界電流是由它的面積所決定的，面積越大，臨界電流值就越高。

國(guó)際上比較流行的標(biāo)準(zhǔn)有，美國(guó)的HYPRES(臨界電流密度是4.5KA/CM2),日本的SRL(2.5KA/CM2)和ADP(10KA/CM2). 圖1可見(jiàn)，當(dāng)電流(紅線(xiàn))超過(guò)100微安的臨界點(diǎn)時(shí)，JJ的兩端變成有 電壓狀態(tài)，當(dāng)外部電流減小時(shí)，JJ最后還是能回到超導(dǎo)狀態(tài)(藍(lán)線(xiàn)).如果將一定的電阻并在JJ上，可以達(dá)到紅線(xiàn)和藍(lán)線(xiàn)重合的效果。并列的電阻值與臨界電流比是3.73。

約瑟夫森效應(yīng)

直流約瑟夫森效應(yīng) 結(jié)兩端的電壓V=0時(shí)，結(jié)中可存在超導(dǎo)電流，它是由超導(dǎo)體中的庫(kù)珀對(duì)的隧道效應(yīng)引起的。只要該超導(dǎo)電流小于某一臨界電流Ic，就始終保持此零電壓現(xiàn)象，Ic稱(chēng)為約瑟夫森臨界電流。Ic對(duì)外磁場(chǎng)十分敏感，甚至地磁場(chǎng)可明顯地影響Ic。沿結(jié)平面加恒定外磁場(chǎng)時(shí)，結(jié)中的隧道電流密度在結(jié)平面的法線(xiàn)方向上產(chǎn)生不均勻的空間分布。改變外磁場(chǎng)時(shí)，通過(guò)結(jié)的超導(dǎo)電流Is隨外磁場(chǎng)的增加而周期性地變化， 描出與光學(xué)中的夫瑯和費(fèi)單縫衍射分布曲線(xiàn)相似的曲線(xiàn)，稱(chēng)為超導(dǎo)隧結(jié)的量子衍射現(xiàn)象。

交流約瑟夫森效應(yīng) 結(jié)兩端的直流電壓V≠0時(shí)，通過(guò)結(jié)的電流是一個(gè)交變的振蕩超導(dǎo)電流，振蕩頻率（稱(chēng)約瑟夫森頻率）f與電壓V成正比，即f=V，e為電子電量，h為普朗克常數(shù)，這使超導(dǎo)隧道結(jié)具有輻射或吸收電磁波的能力。以微波輻照隧道結(jié)時(shí)可產(chǎn)生共振現(xiàn)象。連續(xù)改變所加的直流電壓以改變交流振蕩頻率，當(dāng)約瑟夫森頻率f等于微波頻率的整數(shù)倍時(shí)，就發(fā)生共振，此時(shí)有直流成分的超導(dǎo)電流流過(guò)隧道結(jié)，在 I-V 特性曲線(xiàn)上可觀察到一系列離散的階 梯式的恒定電流。測(cè)定約瑟夫森頻率f，可由電壓V測(cè)定常量2e/ h，或從已知常量e和h精確測(cè)定V。

應(yīng)用

約瑟夫森結(jié)有許多種類(lèi)，例如pi型約瑟夫森結(jié)、varphi型約瑟夫森結(jié)、長(zhǎng)型約瑟夫森結(jié)以及超導(dǎo)隧穿接面等。達(dá)依坶橋是一種約瑟夫森結(jié)的薄膜變體，其弱連結(jié)由數(shù)微米尺度的超導(dǎo)導(dǎo)線(xiàn)所組成。一個(gè)裝置的復(fù)雜度可用其約瑟夫森結(jié)數(shù)作為基準(zhǔn)衡量。約瑟夫森效應(yīng)有廣泛的應(yīng)用，例如：超導(dǎo)量子干涉儀（SQUIDs），又稱(chēng)超導(dǎo)量子干涉裝置，是非常敏感的磁強(qiáng)計(jì)。這類(lèi)儀器是借由約瑟夫森效應(yīng)運(yùn)作的，在科學(xué)和工程中應(yīng)用廣泛。

當(dāng)進(jìn)行精確的計(jì)量時(shí)，約瑟夫森效應(yīng)提供了一種具有完全再現(xiàn)性的頻率和電壓轉(zhuǎn)換。由于頻率已由銫標(biāo)準(zhǔn)明確界定，約瑟夫森效應(yīng)多用于給出1伏特的標(biāo)準(zhǔn)值，即約瑟夫森電壓標(biāo)準(zhǔn)。然而，國(guó)際度量衡局并沒(méi)有因此調(diào)整國(guó)際單位制。

單一電子晶體管通常用超導(dǎo)材料制造，從而可利用約瑟夫森效應(yīng)實(shí)現(xiàn)新穎的效果。這種裝置稱(chēng)為“超導(dǎo)單電子晶體管”。約瑟夫森效應(yīng)也可用于精確測(cè)量基本電荷，并以約瑟夫遜常數(shù)和馮克利青常數(shù)作表示。這二個(gè)常數(shù)與量子霍爾效應(yīng)相關(guān)。

RSFQ數(shù)字電路是基于并聯(lián)的約瑟夫森結(jié)。在這個(gè)情況，接面開(kāi)關(guān)與一個(gè)帶數(shù)字信息的磁通量量子的釋放有關(guān)。

2022年4月，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)副教授馬扎爾·阿里及其研究小組首次使用約瑟夫森結(jié)制作出了約瑟夫森二極管。

國(guó)內(nèi)首條量子芯片生產(chǎn)線(xiàn) 量子芯片封裝示意

目前國(guó)內(nèi)首條量子芯片上晶圓上可達(dá)數(shù)百個(gè)"約瑟夫森結(jié)", 自研的無(wú)損探針可以使探針[敏感詞]晶圓的面積小于1um, 凹坑深度小于100nm左右，通過(guò)超低溫測(cè)試確認(rèn)經(jīng)無(wú)損探針儀測(cè)試前后量子芯片的性能基本上沒(méi)有什么變化。量子芯片封裝盒與傳統(tǒng)芯片封裝可謂是天壤之別，需要超導(dǎo)的封裝盒給量子芯片（晶圓）在超低溫制冷劑里做電磁屏蔽保護(hù)以及導(dǎo)熱和量子比特信號(hào)的通信傳遞。

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