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Josephson-Effekte

 

['dʒəʊzɪfsn-], von B. D. Josephson 1962 aufgrund der BCS-Theorie der Supraleitung vorhergesagte und von einigen Forschergruppen 1963 nachgewiesene quantenmechanische Effekte, die darauf beruhen, dass im Zustand der Supraleitung gebildete Cooper-Paare eine dünne Barriere (von der Größenordnung einiger Nanometer) zwischen zwei Supraleitern (Josephson-Kontakt, -Übergang) durchtunneln können (Tunneleffekt). Die Gleichung I = I₀ + I₁ sin ϕ (mit ϕ als Phasendifferenz zwischen den beiden Supraleitern) gibt den Gesamtstrom I an, der durch ein Josephson-Element fließt. I₀ ist der auf dem gewöhnlichen Tunneln einzelner Elektronen durch die Barriere beruhende Strom, während I₁ sin ϕ der Anteil ist, der auf dem Tunneln von Cooper-Paaren beruht; I, I₀ und I₁ sind Funktionen der Spannung U an der Barriere. Für U = 0 ist I₀ = 0 und ϕ = ϕ₀, also konstant; in diesem Fall fließt der spannungslose Strom I₁ sin ϕ₀, dessen größtmöglicher Wert I₁ kritische Stromstärke des Josephson-Elements heißt. Dieser Effekt wird als Gleichstrom-Josephson-Effekt bezeichnet. Für den Fall U ≠ 0 ist der Suprastrom durch die Barriere ein Wechselstrom mit der Frequenz f = 2(e / h)U (e Elektronenladung, h plancksches Wirkungsquantum), der sich dem Gleichstrom I₀ überlagert. Dieser Effekt wird Wechselstrom-Josephson-Effekt genannt. Für den Faktor f / U = 2e / h ergibt sich ein Wert von etwa 500 MHz pro μV.

 

Durch die Überlagerung der Spannung U mit einer hochfrequenten Wechselspannung der Frequenz ν wird der Suprastrom frequenzmoduliert. Aus der diesbezüglichen Theorie folgt, dass sich durch die Frequenzmodulation der Supragleichstromanteil jeweils nach einem Spannungsschritt der Größe ΔU = hν / 2e um einen endlichen Wert erhöht.

 

Der Wert der kritischen Stromstärke I₁ wird durch ein parallel zu den Kontaktflächen gerichtetes Magnetfeld beeinflusst. Die kritische Stromstärke, als Funktion der magnetischen Feldstärke aufgetragen, zeigt den gleichen Verlauf wie die Intensität bei der Beugung am Spalt in Abhängigkeit vom Gangunterschied.

 

Die theoretische Grundlage der Josephson-Effekte ist die Kohärenz der quantenmechanischen Phasen von Cooper-Paaren in einem Supraleiter. Sind zwei Supraleiter schwach gekoppelt, besteht eine feste Phasendifferenz zwischen beiden, während die Phasen bei vollständiger Kopplung identisch und bei vollständiger Entkopplung unkorreliert sind. Da die Josephson-Effekte unmittelbar von der quantenmechanischen Phase der Cooper-Paare abhängen, sind sie ein direkter Beweis für die Richtigkeit der BCS-Theorie und eine Manifestation der Quantenmechanik im makroskopischen Maßstab. Die Josephson-Effekte ermöglichen die Präzisionsbestimmung von fundamentalen physikalischen Konstanten (z. B. der Feinstrukturkonstanten α sowie des Verhältnisses h / e). Der Wechselstrom-Josephson-Effekt erlaubt sehr genaue Spannungsmessungen und die Definition eines Spannungsnormals mithilfe von Frequenzmessungen, die Magnetfeldabhängigkeit des Gleichstrom-Josephson-Effekts ermöglicht sehr empfindliche Magnetfeldmessungen (SQUID). Die wichtigsten technischen Anwendungen der Josephson-Effekte sind neben den SQUIDs Mikrowellengeneratoren und -detektoren, parametrischen Verstärker sowie logischen Schalt- und Speicherelemente mit äußerst kurzen Schaltzeiten für die Datenverarbeitung (Josephson-Elemente).