继续阅读
凝聚态物理 · 阅读路径
低温液体与超导有序
还有 1 组
用到同一实验的其他文章
本文用到、其他系列也在用的实验，后面跟着那些系列里的文章。
测出能隙以后，势垒还留下了什么问题？
Giaever 的结说明，薄绝缘层可以像窗口一样，探测超导体的能谱。Josephson 接着问：两个具有相干配对态的超导体被弱弱地连起来，难道只有普通准粒子能过结吗？两侧的集体状态本身，也可能发生耦合。
他在 1962 年预言，这种耦合会产生依赖相对相位的超电流，甚至可以在零电压下存在。绝缘层通常让人想到电阻和发热，预言因而显得反常。但这里不是把绝缘层说成普通零电阻金属，而是在研究两个有序量子系统之间的弱连接。要理解它，必须把超导有序的强弱，与描述两侧怎样协调的相位分开。
为什么相位看不见，却能控制电流？
超导序参量可以写成有大小、有相位的复数。一个孤立电极的绝对相位，不是可以直接拿仪表读取的旋钮。结里有意义的是包含电磁场贡献的相对相位；干涉实验能让这个相对量变成可观测结果。
对最简单的常规隧穿结，耦合能随相位差近似按余弦变化；电流与能量对相位变化的响应有关，便得到正弦形电流—相位关系。临界电流给出理想描述里最大的静态超电流，其大小仍取决于器件和温度。正弦关系是低透明度隧穿结常用的极限，并非所有弱连接都必须长成同一形状。这样，简洁公式和材料细节才能各有位置。
零电压与恒电压，会让相位怎样走？
下式把超电流写成临界电流乘相位差的正弦。临界电流是幅度，按安培计；相位差是角度，按弧度计。另一条 Josephson 关系说明，相位变化率正比于电压，比例为两倍元电荷除以约化 Planck 常数。零电压时相位可以保持不变，低于临界值的静态超电流便能持续。
恒定非零电压带来的结果不同：相位不断前进，超电流因此振荡。这就是交流 Josephson 效应。它不意味着随便一个结都会自动发出干净微波；外部电路、阻尼和探测耦合决定能看到什么信号。基本关系给出局部量子约束，完整装置仍要负责把它变成能测的电流、辐射或电压特征。
零电压超电流并不意味着结能不断白送功率。静态结两端没有电压，电流通过时也没有普通电阻那样的局部耗散；电路若向外部负载持续供能，能量仍须来自电源或先前储存的磁场等。把“电流能维持”与“能持续对外做功”分开，才不会把相干输运误解成永动装置。
微波怎样把预言变成一串电压台阶？
外加微波可以把结的相位演化同步起来。同步台阶上，平均电压等于整数倍的 Planck 常数乘驱动频率，再除以两倍元电荷。整数标记第几个台阶，频率按每秒周期数计。若驱动为十吉赫，相邻理想台阶间隔约二十一微伏。这把频率直接接到了可测电压上。
Shapiro 于 1963 年的微波实验，成为电压—频率关系的重要检验。它比“看见某种振荡”更具体：改变频率，便能预言台阶间距应该怎样移动。材料性质仍会决定台阶是否容易出现、可用电流范围有多宽。特殊之处在于，一旦正确锁定，台阶电压就由频率关系控制。
看到零电压电流，还要排除什么？
绝缘膜若被金属短路，仪表也可能测到很小电压下有电流。因此，确认 Josephson 弱连接不能只做通断检查。磁场依赖、温度依赖和微波响应，都能进一步追问：电流是否按超导相干耦合的方式变化，而不是绕着势垒走了普通导电通路。
实际电流—电压曲线还受结电容与阻尼控制。欠阻尼结可以突然跳到有电压状态，再在较低电流返回，出现电流—电压滞回；这是电路动力学，不只是一条静态正弦关系。热噪声又可能让它提前开关，所以直接把一次开关电流当成本征临界电流，会产生偏差。基本方程越简洁，越需要弄清实验如何把它测出来。
把两个结接成环，磁通怎样进入电流？
两个结接成超导环后，穿环磁通会约束两路相位差。两路超电流可相长，也可相消，最大电流便随磁通周期变化，这是直流 SQUID 的基础。周期涉及磁通量子，它等于 Planck 常数除以两倍元电荷，，约为千分之二皮韦伯，极小的磁通也能对应明确相位变化。
做一个理想几何算例：有效面积为一百平方微米的环，在均匀垂直磁场改变约二十一微特斯拉时，穿环磁通就变化一个量子。真实器件还要考虑有效面积、聚磁和电感，这不是现成标定。两个结若不对称，两路幅度就不相等；自感产生的磁通大时，简单干涉图样也会改变。环路因而是有自身几何和控制量的新装置。
量子关系怎样成为可用的电压标准？
Josephson 关系把电压接到能高精度测量的频率上。NIST 的一手介绍记录了跨超导材料的比较，以及后来串联结阵列的发展：把单结较小的电压累积成实验室好用的输出。要让许多结可靠协同，还需要低温、微波馈入和制造工艺。
基本关系正确，不保证仪器正在正确台阶上，也不保证引线没有偏移、读表没有误差。因此独立比较和不确定度分析仍不可少。真正改变计量的是多了一个可重复的量子参照：相对相位不再只存在于抽象波函数里，而能把受控微波频率变成电压。
一个相位关系连接了电流、磁通与频率
Josephson 耦合把两个超导体之间的相对相位，连接到可测的电流和电压。闭合成环以后，磁通又控制两路干涉；加入外部微波，频率便能设定同步电压台阶。不同电路把同一个相干关系转成不同测量，薄薄的弱连接也成为精密磁测量、电压标准与量子电路的重要元件。