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title: "Josephson 的预言：相位能驱动零电压电流"
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last_modified: "2026-10-23"
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[低温液体与超导有序](https://sandboxphysics.com/zh/stories/condensed-matter/#collective)

材料 · 测量 · 解释

# Josephson 的预言：相位能驱动零电压电流

穿过绝缘势垒的超电流，新在哪里？

Sandbox Physics · 2026-10-23

诺奖贡献：1973-2

1. 耦合两个超导体
2. 确定相对相位
3. 预言配对电流
4. 检验电流、电压和磁干涉

超导相位差是集体电路变量，其响应不只由单电子透射概率决定。

## 预言针对相干的配对转移

Josephson 在 1962 年预言：弱耦合的两个超导体，即使没有直流电压，也能携带依赖相位差的超电流。电极具有集体相干，相应耦合超出了准粒子隧穿。

随后实验检验零电压电流、磁干涉及电压—频率关系。1973 年授奖把这一理论预言单列为贡献。

来源：[1]

## 相位和电压相互联系

最简单的正弦结中，相位决定配对电流，电压决定相位随时间前进的快慢。因此恒定电压也能带来振荡超电流，频率由配对电荷和 Planck 常数确定。

$$
I_{\mathrm s}=I_{\mathrm c}\sin\varphi,\qquad\frac{d\varphi}{dt}=\frac{2eV}{\hbar}
$$

来源：[1]

## 闭合环路加入磁干涉

超导环中的两个结，其相位差受磁通约束。两路电流可以相长或相消，产生周期磁通响应；环路电感、结不对称和噪声会改变理想图样。

来源：[1]

## 不同电路 Lab 回答不同问题

SQUID Lab 研究环路干涉，开关 Lab 研究偏置态逃逸，Transmon Lab 研究束缚能级。它们共享 Josephson 耦合，却有不同几何、控制量和证据，不能相互包办。

来源：[1] [2]

接着探索物理

## 动手试相关模型

### [SQUID 磁通响应](https://sandboxphysics.com/zh/labs/squid-flux-response/)

扫描磁通，比较结不对称时的干涉。

小电感教学环假定正弦电流—相位关系，不是经过标定的磁强计。

### [Transmon 能级](https://sandboxphysics.com/zh/labs/transmon-artificial-atom/)

比较非简谐能级与电荷敏感性。

这个能谱不是 2025 年获奖工作的电流偏置逃逸实验。

### [Josephson 开关统计](https://sandboxphysics.com/zh/labs/josephson-switching-statistics/)

改变偏置扫描和温度，比较多次开关。

热激活与基态隧穿分别采用极限近似，结参数为合成设定；仅凭平台不能确认宏观量子隧穿。

## 来源与阅读说明

1. [Josephson: The discovery of tunneling supercurrents (1973)](https://www.nobelprize.org/uploads/2018/06/josephson-lecture_new.pdf)

   依赖相位的配对电流、电压引起的相位演化及后续实验。

2. [Nobel Prize in Physics 1973: official award](https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1973/summary/)

   核对获奖归属与年份。原始观测或理论论文往往早得多。

[凝聚态：从材料读到证据](https://sandboxphysics.com/zh/stories/condensed-matter/) [液氦：怎样打开新的低温范围](https://sandboxphysics.com/zh/stories/condensed-matter/liquid-helium-onnes/) [Landau 的液氦：先描述整个液体的激发](https://sandboxphysics.com/zh/stories/condensed-matter/landau-superfluid-helium/) [Kapitsa 的液氦流动：怎样测黏性很重要](https://sandboxphysics.com/zh/stories/condensed-matter/kapitsa-helium-flow/) [BCS 理论：一个配对态要同时解释几类实验](https://sandboxphysics.com/zh/stories/condensed-matter/bcs-pairing-evidence/) [Giaever 的结：电流怎样显出超导能隙](https://sandboxphysics.com/zh/stories/condensed-matter/giaever-gap-spectroscopy/) [铜氧化物超导：陶瓷怎样改变了温度尺度](https://sandboxphysics.com/zh/stories/condensed-matter/cuprate-superconductivity/) [氦三：一个压力异常怎样改变了解释](https://sandboxphysics.com/zh/stories/condensed-matter/helium-three-superfluid/) [Ginzburg—Landau 理论：超导有序怎样在空间变化](https://sandboxphysics.com/zh/stories/condensed-matter/ginzburg-landau-order/) [Abrikosov 涡旋：磁通进入，超导却还存在](https://sandboxphysics.com/zh/stories/condensed-matter/abrikosov-vortex-lattice/) [Leggett 的氦三：共振怎样辨认配对有序](https://sandboxphysics.com/zh/stories/condensed-matter/leggett-helium-three/)