ジョセフソン効果

ジョセフソン効果

ジョセフソン効果とは、乖離した二つの超伝導体の間に発生する超伝導電流の流れの現象を指します。この理論は1962年にケンブリッジ大学院生のブライアン・ジョセフソンによって提唱され、後にベル研究所のアンダーソンとローウェルによって実証されました。ジョセフソンは1973年にこの研究によりノーベル物理学賞を受賞し、この効果は超伝導の基本的な特徴を示す重要な現象とされています。

ジョセフソン接合と超伝導電流

ジョセフソン効果は、トンネル接合やサブミクロンサイズのブリッジ、ポイントコンタクトなど、様々な形態の弱結合を介して発生します。これらの超伝導体の間に存在するトンネル障壁は、絶縁体や一般的な金属、半導体から成り、これによってジョセフソン電流が流れる仕組みが形成されます。

ハルシネーションは運動量が隣接する部分で量子効果を発現させ、マクロなサイズの波動関数の位相を観測可能にします。二つの超伝導体を接近させると、それぞれの超伝導体が内部に物質波の位相が統一された状態を保持しているため、接近することで生じる位相差によって電流が流れる、これがジョセフソン電流です。通常、電位差がないのに電流が流れることは通常の電流の挙動とは異なります。

基本式とジョセフソン効果の種類

ジョセフソン効果は、以下の式で示されることができます。

$$
I(t) = I_c imes ext{sin}( ext{φ}(t))
$$

$$
V(t) = \frac{\hbar}{2e} \frac{\partial \text{φ}}{\partial t}
$$

ここで、I(t)は時間tにおけるジョセフソン電流、V(t)は端子間の電圧、φ(t)は波動関数の位相差、I_cは臨界電流を示します。

ジョセフソン効果には、二種類の主要な現象があります。ひとつは直流ジョセフソン効果で、もう一つは交流ジョセフソン効果です。直流ジョセフソン効果では、電流が供給されると位相差が定まるため電圧降下は発生せず、一方、交流ジョセフソン効果では接合に電圧をかけることで超伝導電流が時間的に変化し周波数が発生します。

磁場の影響

ジョセフソン効果は磁場に敏感であり、接合面に磁場をかけることで、最大ジョセフソン電流が変調されます。この特性を利用して、超伝導量子干渉計などの磁束計として応用可能です。ジョセフソン電流の量は、接合を通過する磁束の量子化に影響され、フラウンホーファーパターンという干渉パターンを生成することがあります。

電圧標準としての応用

交流ジョセフソン効果は、電圧を測定する基準としても利用されています。特に、ジョセフソン素子にマイクロ波を照射すると特定の電圧ステップが観測され、その周波数が電圧に対応します。これは、2019年に発効した新しい国際単位系（SI）の定義において、電気素量やプランク定数に関連付けられた重要な役割を果たします。これにより、ジョセフソン定数が不確かさなく定義されることとなりました。

このように、ジョセフソン効果は超伝導物理学や量子技術の分野における重要な要素であり、様々な新しい技術の発展に寄与しています。

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