实验验证：约瑟夫森效应
实验验证：约瑟夫森效应
约瑟夫森效应是宏观量子现象的生动体现，当两块超导体之间具有弱连接时，库伯对在两超导体间量子隧穿，产生隧穿电流的现象称为约瑟夫森效应。本实验使用高温超导YBa2Cu3O7−x，将不同晶向的两块超导材料用超导薄膜粘接，实现弱连接，从而构成双晶约瑟夫森结。实验通过测量双晶约瑟夫森结在液氮温度（77K）下，无微波辐照和有微波辐照两种情况下的伏安特性曲线，观察到了直流和交流约瑟夫森效应。
超导体与约瑟夫森效应简介
超导体是一种在特定温度下电阻为零的材料，这种现象最早于1911年由荷兰物理学家卡末林·昂内斯发现。1933年，沃尔特·迈斯纳和罗伯特·奥克森费尔德发现了超导体的“迈斯纳效应”，即超导体在超导状态下会排斥磁场。1957年，约翰·巴丁、利昂·库珀和约翰·施里弗提出了著名的BCS理论，解释了超导体中的电子成对形成库珀对，并通过声子中介形成相干态。
1912年，英国物理学家约瑟夫森预测了在两块弱连接的超导体间库伯对发生量子隧穿的现象，即约瑟夫森效应。约瑟夫森效应可以在常规尺度下观测，是宏观量子效应的生动体现。目前，约瑟夫森效应在量子线路领域有重要应用，包括超导量子干涉仪、超导量子比特等。
实验装置与步骤
本实验使用高温超导体YBa2Cu3O7−x，将不同晶向的两块超导材料用超导薄膜粘接，实现弱连接，从而构成双晶约瑟夫森结。实验装置依功能可划分为三个部分：测量系统、记录系统和降温系统。测量系统包括函数发生器、微波信号源、测试电路箱、样品杆等。记录系统为记录仪，可以将输入信号按比例绘制在坐标纸上。降温系统为液氮杜瓦瓶，用于将超导样品降至转变温度以下。
实验步骤主要包括：
- 测量高温超导双晶约瑟夫森结的超导微桥的电阻-温度特性曲线
- 在液氮沸点(77K)下，测量双晶结的伏安特性曲线
- 在液氮沸点(77K)下，施加微波辐照，测量双晶结的伏安特性曲线
实验结果与讨论
电阻-温度特性对比
实验分别绘制了高温超导双晶约瑟夫森结和同尺寸的超导微桥的电阻-温度变化曲线。通过数据分析发现，高温超导双晶约瑟夫森结和同尺寸超导样品转变温度时，铂电阻阻值分别为：。对照铂电阻的电阻温度数据表可得，二者的转变温度均为。双晶结和超导微桥的电阻-温度变化趋势基本一致，而转变温度又几乎相同，这说明约瑟夫森结中的弱连接不会破坏超导体的相变行为。
图1：高温超导双晶约瑟夫森结的电阻-温度变化曲线(x轴分度值5mV/cm,y轴分度值1mV/cm)
伏安特性对比
在没有外界辐射时，观察到直流约瑟夫森效应的伏安特性曲线。根据曲线，在无微波辐照下的约瑟夫森临界电流为：。在微波辐照下，绘制出了高温超导双晶约瑟夫森结的电压-电流变化曲线，可以看到较为明显的微波感应台阶。通过数据分析，计算得微波频率理论值为，与微波频率标称值基本一致，验证了交流约瑟夫森效应的存在。
图2：高温超导双晶约瑟夫森结在无微波辐照下的伏安特性曲线(x轴分度值5mV/cm,y轴分度值50μV/cm)
结论
本次实验通过对比双晶约瑟夫森结与同尺寸超导微桥的电阻-温度曲线和伏安特性曲线，验证了约瑟夫森效应的存在及其理论正确性。实验结果表明，约瑟夫森结中的弱连接确实会改变超导材料的性质，同时证明了直流和交流约瑟夫森效应的存在。通过微波感应台阶的观测，进一步验证了约瑟夫森效应理论预测的正确性。
约瑟夫森效应在量子线路领域有重要应用，包括超导量子干涉仪、超导量子比特等。超导量子干涉仪是一种极高灵敏度的磁力计，约瑟夫森效应还用于精确标定电压单位。