YBCO约瑟夫森结的制作和约瑟夫森效应的验证.pdf

近代物理实验 潘坚 物理系 08301030016 YBCO 约瑟夫森结的制作 与约瑟夫森效应的验证 潘坚 08301030016 复旦大学物理系 200433 摘要: 我们对利用实验室提供的YBCO 块状样品进行物理的加工处理，打磨形成超导结。并 利用现有的条件进行约瑟夫森结的测量验证。本文从理论上分析了约瑟夫森效应的相关结果， 并通过实验与理论进行对比，找出实际操作过程中的注意点。 关键词：约瑟夫森效应，YBCO 约瑟夫森结，隧道结，微波 引言：超导Josephson 结又称弱连接结。弱连接是指两块超导题通过某种方式形成弱耦合的 结构。Josephson 曾预言在超导体-绝缘层-超导体（SIS ）隧道结结构中，两侧超导体通过势 垒层相互耦合，当势垒层足够薄时，出现的奇特物理现象。超导电子器件是基于Josephson 效应而研制成功的新型电子器件。与半导体器件相比，超导电子器件具有高度非线性、噪声 低、工作频带宽、功率小、体积小、抗干扰能力强等众多独特优点。所以研究Josephson 结 的性质对超导的发展和应该用具有非常重要的意义。 理论分析 1. 约瑟夫森效应 对于一个YBCO 的超导体-绝缘层-超导体的约瑟夫森结结构如果我们在超导结的两端加 上一个直流电压V ，则在约瑟夫森结结区中会出现一个高频振荡的正弦波隧道电流，其频率 和所加的直流电压成正比有如下关系式 2e 6 ν = ⋅V=(483.6×10 Hz/μV)⋅V h 即每加1μV的电压存在483.6MHz 的高频隧道电流。所加电压在几微伏时，电流频率在 12 GHz 量级，若为几毫伏，则电流频率在10 Hz段。由于约瑟夫森结的高频辐射功率很小（约 −11 为10 ），交流约瑟夫森效应的检测很难通过一般直接接受电磁波辐射的方法实现，而需 要采用间接的检测方法。 当超导结两端出现直流电压V 时，结中超导隧道电流密度 0 2 = sin( + ) ℏ 0 0 上式对时间的平均值为零，因此，在直流的I-V 特性曲线上反映不出高频电流的存在。 为此，在结上除了加直流偏置电压 以外再加上一个振幅为 的交变电压 (cos⁡(Ωt+α)。 0 Α为交变电压的初始相位。在恒压源模型下可以证明，结中的电流可以表示为 +∞ ( ) ( ) = ∑ −1 (2 /ℏ)sin⁡[ ω−nΩ t−nα+φ ] 0 =−∞ 其中 (2 /ℏ)为n 阶贝赛尔函数。 由上式可得，此时节点流中包含了各种谐波成分，每当ω=nΩ，即解得约瑟夫森频率ω与 外加交变频率Ω的n 倍相等时，隧道电流中即出现不随时间变化的直流项。因此，当将结两 1 近代物理实验 潘坚 物理系 08301030016 端的电压V 做扫描时，在结的I−V特性