約瑟夫森結(jié)的研究進(jìn)展

田靜王楠

（西安郵電大學(xué) 理學(xué)院應(yīng)用物理系，陜西 西安 710121）

0 引言

約瑟夫森效應(yīng)是在1962年由B.D.Josephson首先提出并以他的名字命名的[1]。它是超導(dǎo)電子對從一個超導(dǎo)體穿過一層絕緣體進(jìn)入另一超導(dǎo)體的隧道貫穿現(xiàn)象。安德森 （P.W.Anderson）和羅韋爾（J.M.Rowell）等人從實(shí)驗(yàn)上觀察到這一現(xiàn)象，證實(shí)了約瑟夫森的預(yù)言[2]。兩塊超導(dǎo)體之間通過一絕緣薄層連接起來的組合稱為SIS，超導(dǎo)隧道結(jié)或約瑟夫森結(jié)如圖1所示。這層絕緣體對電子來說就是一個勢壘，對于低溫超導(dǎo)材料來說大概是零點(diǎn)幾埃[3]。這樣一種連接稱為弱連接。自約瑟夫森從理論上預(yù)言了弱連接超導(dǎo)電性新效應(yīng)以來，世界各地的研究者對約瑟夫森效應(yīng)進(jìn)行了詳細(xì)的研究。

圖1 約瑟夫森結(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖

約瑟夫森結(jié)因具有豐富的特性（量子干涉，特殊的伏安特性，高度的非線性）得到高度的關(guān)注。約瑟夫森結(jié)的發(fā)展十分迅速，取得了重要的研究進(jìn)展。成為超導(dǎo)電子器件的重要組件。約瑟夫森效應(yīng)無論在理論研究還是實(shí)際應(yīng)用上都具有重要的意義。本文將介紹約瑟夫森結(jié)的基本概念，理論以及主要應(yīng)用的研究進(jìn)展情況。并將對約瑟夫森結(jié)未來研究方向及發(fā)展趨勢進(jìn)行分析。

1 約瑟夫森效應(yīng)

1962年，約瑟夫森從理論上預(yù)言了超導(dǎo)電子對非線性量子隧道效應(yīng)后，又于1964年和1965年歸納出了著名的約瑟夫森方程組[4]。

支配約瑟夫森效應(yīng)動力學(xué)的基本方程

其中U（t）和I（t）分別為約瑟夫森結(jié)兩端電壓和流經(jīng)約瑟夫森結(jié)的電流，2e表示載流子是由兩電子組成的庫珀對，?是普朗克常量除以2π，ψ（t）為勢壘兩側(cè)超導(dǎo)體中宏觀量子波函數(shù)的相位差，Ic是常數(shù)，稱為約瑟夫森結(jié)的臨界流。這個臨界流是約瑟夫森設(shè)備的一個重要參數(shù)。它可以有溫度和外加磁場決定。

1.1 直流約瑟夫森效應(yīng)

當(dāng)直流電流通過超導(dǎo)隧道結(jié)時，只要電流低于某一臨界電流Ic，則與一塊超導(dǎo)體相似，結(jié)上不存在任何電壓（U（t）=0），即流過結(jié)的是超導(dǎo)電流。這種超導(dǎo)隧道能夠承載直流超導(dǎo)電流的現(xiàn)象，稱為直流約瑟夫森效應(yīng)。

1.2 交流約瑟夫森效應(yīng)

如果在超導(dǎo)的結(jié)區(qū)兩端加上一直流電壓（U（t）≠0）（當(dāng)然，這時電流大于臨界電流Ic），在結(jié)區(qū)就出現(xiàn)高頻的超導(dǎo)正弦波電流，其頻率與所施加的直流電壓成正比，即這時，結(jié)區(qū)以同樣的頻率（所加電壓是幾微伏，則在微波區(qū)域：若為幾毫伏，則在遠(yuǎn)紅外波段）向外輻射電磁波。超導(dǎo)隧道結(jié)這種能在直流電壓作用下，產(chǎn)生超導(dǎo)交流，從而能輻射電磁波的特性，稱為交流約瑟夫森效應(yīng)。

2 約瑟夫森結(jié)的應(yīng)用

約瑟夫森效應(yīng)不僅生動地顯示了宏觀量子力學(xué)效應(yīng)，具有重要的理論意義，而且具有廣泛的實(shí)際應(yīng)用。約瑟夫森結(jié)是目前應(yīng)用廣泛的超導(dǎo)量子器件。如超導(dǎo)量子干涉儀，混頻器和參量放大器等器件。本文主要從通信，生物，量子計算機(jī)等方面介紹約瑟夫森結(jié)一些應(yīng)用。

2.1 約瑟夫森結(jié)在通信方向的應(yīng)用

作為一種高度的非線性器件，約瑟夫森結(jié)及陣列中存在著復(fù)雜的混沌行為。由于混沌在信號處理和保密通信等領(lǐng)域都具有重要的研究和應(yīng)用價值[5-9]，再加上約瑟夫森結(jié)型器件本身具有低噪聲，低功耗和高工作頻率等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，約瑟夫森結(jié)及陣列中的混沌行為受到了廣泛關(guān)注。

由于約瑟夫森結(jié)與陣列可以工作在THZ頻率范圍內(nèi)，其混沌行為可以用于THZ頻率范圍的超高速混沌保密通信。但由于約瑟夫森結(jié)工作頻率極高，混沌同步難于實(shí)現(xiàn)，因而，目前對此的研究幾乎沒有報道。約瑟夫森結(jié)與陣列中存在明顯的混沌行為，而以混沌理論為核心之一的非線性科學(xué)被譽(yù)為本世紀(jì)相對論和量子力學(xué)以來第三次科學(xué)革命，利用同步的混沌系統(tǒng)進(jìn)行保密通信是當(dāng)前國際研究的一大熱點(diǎn)，正在成為高新技術(shù)的一個新領(lǐng)域。

2009年，周鐵戈等研究了約瑟夫森結(jié)的混沌行為及其在保密通信中的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)電阻一電容-電感并聯(lián)的約瑟夫森結(jié)在直流電流驅(qū)動下會出現(xiàn)混沌行為，并在此基礎(chǔ)上首次提出了基于約瑟夫森結(jié)混沌行為的保密通信方案[10]。

2.2 醫(yī)用生物領(lǐng)域的應(yīng)用

在醫(yī)學(xué)方面，超導(dǎo)量子干涉儀可以測出非常弱的磁場，如人體的肺磁，心磁，大腦神經(jīng)磁信號。這有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，磁測量不需要與被測體接觸，它屬于非接觸測量，這就避免了在表皮上可能引起的干擾變化。另外，磁測量在沒有體內(nèi)電類似物時也可以測量，例如可以測量人體肝中的含鐵量等[11]。

在生物方面，2010年，PATRICK CROTTY提出由約瑟夫森結(jié)構(gòu)成的超導(dǎo)電路能夠模擬生物神經(jīng)元的復(fù)雜行為和動力學(xué)特性，如動作電位、不應(yīng)期和閾值等[12]。由約瑟夫森結(jié)神經(jīng)元構(gòu)成的大型網(wǎng)絡(luò)可以并行計算，其運(yùn)算速度遠(yuǎn)高于經(jīng)典神經(jīng)元構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。因此，約瑟夫森結(jié)神經(jīng)元為研究神經(jīng)元提供了一種新的工具，探索長期的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模動態(tài)。所以，把約瑟夫森結(jié)的先進(jìn)理論應(yīng)用到量子網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)元中，實(shí)現(xiàn)約瑟夫森結(jié)與量子計算兩大優(yōu)點(diǎn)的結(jié)合，將更大地提高量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)越性。

2.3 量子計算機(jī)

約瑟夫森結(jié)用作計算機(jī)的邏輯和存儲元件具有輸出電壓高、開關(guān)時間短、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。其運(yùn)算速度比現(xiàn)有高性能半導(dǎo)體集成電路快10～20倍，功耗小到四分之一。與傳統(tǒng)超級計算機(jī)相比，量子計算機(jī)的運(yùn)算能力要快數(shù)千倍甚至萬倍。利用約瑟夫遜結(jié)可構(gòu)成各種邏輯、觸發(fā)器和存儲器等電路。

2011年D-wave公司宣布成功開發(fā)世界上第一臺量子計算機(jī)工作模擬機(jī)，并完成了樣機(jī)的測試工作。處理器的測試包含了128超導(dǎo)磁量子比特和2.4萬個約瑟夫森結(jié)裝置。運(yùn)算速度是前代的四倍，理論運(yùn)算速度已經(jīng)遠(yuǎn)超當(dāng)時的所有超級計算機(jī)。該計算機(jī)可廣泛用于金融風(fēng)險分析，生物信息學(xué),情感分析，圖像識別，醫(yī)學(xué)圖像分類和壓縮傳感等領(lǐng)域。

2011年5月美國航空航天制造商洛克希德－馬丁公司宣布購買了一臺D-Wave量子計算機(jī)。2012年，D-Wave Two量子計算機(jī)面世，其處理器達(dá)到了512量子位，它在某些領(lǐng)域的運(yùn)算能力可以在很長一段時間內(nèi)保持領(lǐng)先，售價 1500萬美元。D-Wave Two工作時，環(huán)境溫度必須保持在 20mk（毫開式溫標(biāo)）。2013年5月16日，谷歌宣布，購入由加拿大D-Wave系統(tǒng)公司制造的第二臺量子計算機(jī)，預(yù)計售價1500萬美元，今年第三季度投入使用。 這標(biāo)志著我們離量子計算機(jī)生產(chǎn)的商業(yè)化更加接近了。

2.4 熱“約瑟夫森結(jié)”

當(dāng)兩種超導(dǎo)體被一個弱鍵連接在一起時，它們便形成一個“約瑟夫森結(jié)”，在其中，穿過這個結(jié)的電流由兩種超導(dǎo)體之間的量子相差決定。近50年前，Kazumi Maki和 Allan Griffin預(yù)測了“約瑟夫森結(jié)”的一個熱類似物。2012年，F(xiàn)rancesco Giazotto和 Mara Jose Martnez-Prez已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了這樣一個器件[13]，在其中，兩種超導(dǎo)體之間的熱流動也依賴于量子相差。這個效應(yīng)有可能被用于固體納米電路中熱的操縱。

3 總結(jié)

約瑟夫森結(jié)，因其功耗低，噪聲低，工作頻率高，分辨率高，反應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。目前約瑟夫森結(jié)應(yīng)用于多個領(lǐng)域。如在軍事中應(yīng)用，在地質(zhì)也有著廣泛應(yīng)用，約瑟夫森效應(yīng)的應(yīng)用遠(yuǎn)不止上述這些。在信息社會中具有廣闊的市場應(yīng)用前景，且具有較高的科學(xué)研究價值，它對新技術(shù)的發(fā)展具有推動作用。如今超導(dǎo)數(shù)字電路，量子計算機(jī)和納米材料的研究和應(yīng)用的迅速崛起，使得約瑟夫森結(jié)這一基礎(chǔ)課題的研究更為迫切。

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