www.wikidata.de-de.nina.az

Josephson Effekt Der ist ein physikalischer Effekt der den Tunnelstrom zwischen zwei Supraleitern beschreibt Er wurde vo

Josephson-Effekt

Der Josephson-Effekt ist ein physikalischer Effekt, der den Tunnelstrom zwischen zwei Supraleitern beschreibt. Er wurde von Brian D. Josephson 1962 theoretisch vorhergesagt und später in zahlreichen Experimenten verifiziert, zuerst 1962 von John Rowell an den Bell Laboratories (teilweise mit Philip Warren Anderson). Josephson erhielt 1973 den Nobelpreis für Physik.

Zwar wurde der Josephson-Effekt als erstes in Supraleitern gemessen, der Begriff wurde jedoch verallgemeinert: Man spricht von dem Josephson-Effekt, falls zwei makroskopische Wellenfunktionen schwach miteinander gekoppelt sind (Kopplung über eine Tunnelbarriere).

Anschauliche Beschreibung Bearbeiten

Der elektrische Strom in Supraleitern wird nicht, wie es in Normalleitern der Fall ist, von einzelnen Elektronen getragen, sondern von Elektronenpaaren, den so genannten Cooper-Paaren, wie sie von der BCS-Theorie postuliert werden.

Werden zwei Supraleiter durch eine wenige Nanometer dünne, nicht-supraleitende Barriere getrennt, so können Cooper-Paare von einem Supraleiter durch die Barriere in den anderen tunneln. Eine derartige Supraleiter-Normalleiter-Supraleiter (SNS)- oder Supraleiter-Isolator-Supraleiter (SIS)-Anordnung nennt man Josephson-Kontakt. Wird nun eine Stromquelle an den Josephson-Kontakt angeschlossen und ein geringer elektrischer Strom durch den Kontakt geleitet, verhält er sich weiterhin wie ein Supraleiter ohne Unterbrechung, da die Cooper-Paare durch die Barriere tunneln. Dadurch treten mehrere Effekte auf:

  • Bei Anlegen einer Gleichspannung tritt ein hochfrequenter Wechselstrom auf, dessen Frequenz proportional zur Spannung ist;
  • bei Einwirkung hochfrequenter elektromagnetischer Wellen (Mikrowellen) werden zwischen den beiden Supraleitern diskrete Spannungswerte erzeugt, die nur von der Frequenz der Mikrowelle abhängen.

Die Josephson-Gleichungen Bearbeiten

Physikalische Konstante
Name Josephson-Konstante
Formelzeichen
Größenart Magnetischer Fluss
Wert
SI 4.835978484…e14 Hz·V−1
Unsicherheit (rel.) (exakt)
Bezug zu anderen Konstanten

: Magnetisches Flussquant

In einem Supraleiter befinden sich alle Cooper-Paare im gleichen quantenmechanischen Zustand, lassen sich also durch ein und dieselbe Wellenfunktion beschreiben (siehe BCS-Theorie). In einem Josephson-Kontakt sind die Wellenfunktionen der beiden Supraleiter durch die dünne, nicht-supraleitende Schicht gekoppelt. Die Größe der Kopplung wird im Wesentlichen durch die Dicke der Schicht bestimmt. Der Suprastrom (von Cooper-Paaren getragene Strom) durch diese Schicht hat die Größe

wobei die Phasendifferenz der supraleitenden Wellenfunktionen beiderseits der Barriere darstellt und der kritische Strom der Barriere ist.

Dabei gilt:

wobei das magnetische Flussquant ist. Diese Gleichung wird 2. Josephson-Gleichung genannt. Aufgrund der sich ändernden Phasendifferenz tritt ein ständig wechselnder Suprastrom auf. Durch Einsetzen der 2. Josephson-Gleichung in die 1. Josephson-Gleichung erhält man die entsprechende Frequenz (Josephson-Frequenz) zu

Hierbei ist

die Josephson-Konstante. Sie ist exakt bekannt, weil e (Elementarladung) und h (Planck-Konstante) seit 2019 zur Definition der SI-Einheiten dienen und ihnen ein fester Wert zugewiesen wurde. Da Frequenzen sehr präzise messbar sind, eignet sich der Josephson-Effekt als Spannungsnormal zur präzisen Darstellung der Einheit Volt. Für die (sehr geringe) Spannung von 1 μV ergibt sich beispielsweise die Frequenz von 483,5978… MHz.

Es bleibt noch zu erwähnen, dass der Strom durch einen Josephson-Kontakt abhängig von äußeren Magnetfeldern ist. Genaugenommen lautet die 1. Josephson-Gleichung:

Hierbei ist das magnetische Vektorpotential und das Integral ein Wegintegral, das von dem 1. Supraleiter über die Barriere zu dem 2. Supraleiter reicht.

Kennlinie eines Josephson-Kontaktes Bearbeiten

Strom-Spannungs-Kennlinie eines nicht hysteretischen Josephson-Kontaktes

An einem Josephson-Kontakt finden mehrere Prozesse statt (nicht-hysteresischer Fall ohne Magnetfeld):

  • Tunneln von Cooper-Paaren durch die Barriere (Josephson-Effekt)
  • Tunneln einzelner Elektronen durch die Barriere
  • Zerbrechen von Cooper-Paaren und Tunneln der entstehenden Einzelelektronen durch die Barriere (bei im Vergleich zur Bandlücke des Supraleiters hohen Spannungen)
  • Ohmsche Leitung durch die Barriere bei SNS-Kontakten (nicht bei SIS-Kontakten)
  • Die beiden Supraleiter mit der Barriere dazwischen verhalten sich wie die Platten eines Plattenkondensators.

Da alle diese Prozesse parallel stattfinden, gilt

  • Die gemessene Spannung ist die Spannung des Josephson-Effektes; aus ihr lässt sich mittels der 2. Josephson-Gleichung direkt berechnen.
  • Der gemessene Strom ist der Gesamtstrom aller stattfindenden Prozesse, also im Wesentlichen die Summe aus dem Strom der Cooper-Paare und dem Strom der Einzelelektronen, zeitlich geglättet durch die Kondensatorwirkung des Kontaktes.

Gleichstrom-Josephsoneffekt: Ist die Spannung klein, d. h. die Energie der Cooper-Paare im elektrischen Feld gegenüber vernachlässigbar, ergibt die Minimierung der freien Energie des Systems, dass sich im Gleichgewicht mit einstellt. D. h.

Ist keine äußere Spannungsquelle angeschlossen, also , wird dieser Josephson-Strom durch Tunneln von Einzelelektronen in Gegenrichtung kompensiert, sodass sich keine Spannung aufbaut. Ist eine (geringe) Spannung angelegt, fließt der Josephson-Strom dagegen auf Grund des elektrischen Feldes durch die Spannungsquelle ab, sodass für den gemessenen Strom im Wesentlichen gilt:

Wechselstrom-Josephsoneffekt: Ist die Spannung so groß, dass die thermischen Effekte vernachlässigbar sind, wird meist das Resistively and Capacitively Shunted Junction (RCSJ)-Modell verwendet, um eine DGL für aufzustellen. Dabei wird der Gesamtstrom als Summe von Josephson-Strom, Ohmschem Strom, Strom eines Kondensators angesetzt. Bei durch eine Spannungsquelle erzwungener konstanter Spannung ergibt sich eine Phase von

also ist der Josephson-Strom dann ein Wechselstrom mit Kreisfrequenz .

Shapiro-Stufen: Wenn ein auf einen Josephson-Kontakt Mikrowellen einwirken, können Resonanzeffekte auftreten. Entspricht die Frequenz der Mikrowellen gerade einem ganzzahligen Vielfachen der Josephson-Frequenz, treten in der Strom-Spannungs-Kennlinie Stufen gleicher Spannung auf, die als „Shapiro-Stufen“ bezeichnet werden. Der Abstand benachbarter Stufen ist

Technische Realisierung von Josephson-Kontakten Bearbeiten

Schematischer Aufbau eines Josephson-Kontaktes

Die Barriere zur Trennung der beiden Supraleiter darf nur wenige Nanometer dick sein, damit quantenmechanische Tunnelprozesse stattfinden können. Dies kann auf verschiedene Arten realisiert werden:

  • Aufbau einer SNS- oder SIS-Anordnung in Dünnfilmtechnik durch Sputtern oder Laserablation
  • Eine dünne Spitze aus supraleitendem Material, die auf einen Supraleiter gedrückt wird (Punktkontakt/Spitzenkontakt), wirkt ähnlich, da an den Seiten der Spitze Tunneleffekte auftreten (eventuell wird im normalleitenden Zustand einmalig ein so großer Strom durch die Anordnung geschickt, dass die dünnste Stelle der Einschnürung durch die Hitze oxidiert und so eine dünne isolierende Oxidschicht entsteht)
  • Eine sehr enge Einschnürung in einem supraleitenden Film (die Effekte sind die gleichen wie beim Spitzenkontakt)
  • In stark anisotropen Hochtemperatursupraleitern wie zum Beispiel Bi2212 oder dem Pnictid LaO0.9F0.1FeAs findet die Supraleitung nur in Ebenen statt, zwischen den Ebenen sind isolierende Schichten. Durch Strukturieren lassen sich daher aus Einkristallen intrinsische Josephson-Kontakte herstellen.

Anwendungen Bearbeiten

Josephsonkontakte werden eingesetzt als extrem schnelle Schaltelemente und sehr genaue Spannungsstabilisatoren. Außerdem werden sie in Systemen zur Messung extrem kleiner magnetischer Flüsse (SQUIDs) eingesetzt.

Josephsonkontakte sind sehr genaue Frequenz-zu-Spannung-Konverter. Beim inversen Josephson-Effekt betreibt man den Josephsonkontakt mit einer Spannung der Form

Man kann zeigen, dass Ic dann konstant ist. Diese Anordnung wird in Eichämtern als sehr genauer Frequenz-zu-Spannung-Konverter für die Eichung von Spannungen benutzt und dann Josephson-Normal oder Josephson-Quantennormal genannt.

Eine der am weitesten entwickelten Realisierung von Qubits für Quantencomputer basiert auf supraleitenden Schaltkreisen mit Josephson-Kontakten als zentralem nichtlinearen Bestandteil.

Begrenzungen Bearbeiten

Da Josephsoneffekte nur in Verbindung mit Supraleitern auftreten, müssen die Kontakte auf sehr tiefe Temperaturen gekühlt werden, was den Betrieb technisch recht aufwändig und unter Umständen sehr kostspielig werden lässt. Ein häufig verwendetes supraleitendes Material zur Herstellung von derartigen Kontakten ist Niob, das bei 9,2 Kelvin supraleitend wird. Zur Kühlung auf diese Temperaturen wird flüssiges Helium (mit einer Temperatur von 4,2 Kelvin) verwendet. Josephson-Kontakte aus Hochtemperatursupraleitermaterialien können auch bei flüssig-Stickstoff-Temperatur (77,4 Kelvin) gekühlt werden. Flüssiger Stickstoff ist deutlich billiger und einfacher herzustellen als flüssiges Helium, allerdings ist der Herstellungsprozess für Josephsonkontakte aus Hochtemperatursupraleitern deutlich teurer.

Literatur Bearbeiten

  • Brian D. Josephson: Possible New Effects in Superconducting Tunnelling. In: Physics Letters. Bd. 1, Nr. 7, 1962, S. 251–253, doi:10.1016/0031-9163(62)91369-0.
  • John M. Rowell, Philip Warren Anderson, Donald E. Thomas: Image of the Phonon Spectrum in the Tunneling Characteristic between Superconductors. In: Physical Review Letters. Bd. 10, Nr. 8, 1963, S. 334–336, doi:10.1103/PhysRevLett.10.334.
  • Sidney Shapiro: Josephson Current in Superconducting Tunneling: The Effect of Microwaves and other Observations. In: Physical Review Letters. Bd. 11, Nr. 2, 1963, S. 80–82, doi:10.1103/PhysRevLett.11.80.
  • Brian D. Josephson: The Discovery of Tunnelling Supercurrents. (PDF; 188 kB), Nobelpreisrede 1973.
  • Antonio Barone, Gianfranco Paternò: Physics and Applications of the Josephson effect. John Wiley & Sons, New York NY 1982, ISBN 0-471-01469-9.
  • Konstantin K. Likharev: Dynamics of Josephson Junctions and Circuits. 3rd printing. Gordon and Breach Science Publishers, New York NY u. a. 1986, ISBN 2-88124-042-9.
  • Charles Kittel: Einführung in die Festkörperphysik. 13., korrigierte Auflage. Oldenbourg, München u. a. 2002, ISBN 3-486-27219-5.
  • Werner Buckel, Reinhold Kleiner: Supraleitung. Grundlagen und Anwendungen. 6., vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage. Wiley-VCH, Weinheim 2004, ISBN 3-527-40348-5.

Einzelnachweise Bearbeiten

  1. Josephson effect in Bose-Einstein Condensates in "Nature 449, 579 (2007)"
  2. CODATA Recommended Values. National Institute of Standards and Technology, abgerufen am 6. Juni 2019. Wert für .
  3. Josephson tunnel junctions with ferromagnetic interlayer. Eigenverlag Forschungszentrum Jülich, Jülich, 2006, abgerufen am 25. März 2014.
  4. A. F. Kockum, F. Nori: Quantum Bits with Josephson Junctions. In: F. Tafuri (Hrsg.): Fundamentals and Frontiers of the Josephson Effect (= Springer Series in Materials Science). Band 286. Springer, 2019, S. 703–741, doi:10.1007/978-3-030-20726-7_17.
wikipedia, wiki, deutsches, deutschland, buch, bücher, bibliothek artikel lesen, herunterladen kostenlos kostenloser herunterladen, MP3, Video, MP4, 3GP, JPG, JPEG, GIF, PNG, Bild, Musik, Lied, Film, Buch, Spiel, Spiele
Veröffentlichungsdatum:
Der Josephson Effekt ist ein physikalischer Effekt der den Tunnelstrom zwischen zwei Supraleitern beschreibt Er wurde von Brian D Josephson 1962 theoretisch vorhergesagt und spater in zahlreichen Experimenten verifiziert zuerst 1962 von John Rowell an den Bell Laboratories teilweise mit Philip Warren Anderson Josephson erhielt 1973 den Nobelpreis fur Physik Zwar wurde der Josephson Effekt als erstes in Supraleitern gemessen der Begriff wurde jedoch verallgemeinert Man spricht von dem Josephson Effekt falls zwei makroskopische Wellenfunktionen schwach miteinander gekoppelt sind Kopplung uber eine Tunnelbarriere 1 Inhaltsverzeichnis 1 Anschauliche Beschreibung 2 Die Josephson Gleichungen 3 Kennlinie eines Josephson Kontaktes 4 Technische Realisierung von Josephson Kontakten 5 Anwendungen 6 Begrenzungen 7 Literatur 8 EinzelnachweiseAnschauliche Beschreibung BearbeitenDer elektrische Strom in Supraleitern wird nicht wie es in Normalleitern der Fall ist von einzelnen Elektronen getragen sondern von Elektronenpaaren den so genannten Cooper Paaren wie sie von der BCS Theorie postuliert werden Werden zwei Supraleiter durch eine wenige Nanometer dunne nicht supraleitende Barriere getrennt so konnen Cooper Paare von einem Supraleiter durch die Barriere in den anderen tunneln Eine derartige Supraleiter Normalleiter Supraleiter SNS oder Supraleiter Isolator Supraleiter SIS Anordnung nennt man Josephson Kontakt Wird nun eine Stromquelle an den Josephson Kontakt angeschlossen und ein geringer elektrischer Strom durch den Kontakt geleitet verhalt er sich weiterhin wie ein Supraleiter ohne Unterbrechung da die Cooper Paare durch die Barriere tunneln Dadurch treten mehrere Effekte auf Bei Anlegen einer Gleichspannung tritt ein hochfrequenter Wechselstrom auf dessen Frequenz proportional zur Spannung ist bei Einwirkung hochfrequenter elektromagnetischer Wellen Mikrowellen werden zwischen den beiden Supraleitern diskrete Spannungswerte erzeugt die nur von der Frequenz der Mikrowelle abhangen Die Josephson Gleichungen BearbeitenPhysikalische KonstanteName Josephson KonstanteFormelzeichen K J displaystyle K mathrm J nbsp Grossenart Magnetischer FlussWertSI 4 835 978 484 e 14 Hz V 1Unsicherheit rel exakt Bezug zu anderen KonstantenK J 1 F 0 2 e h displaystyle K mathrm J frac 1 Phi 0 frac 2e h nbsp F 0 displaystyle Phi 0 nbsp Magnetisches FlussquantIn einem Supraleiter befinden sich alle Cooper Paare im gleichen quantenmechanischen Zustand lassen sich also durch ein und dieselbe Wellenfunktion beschreiben siehe BCS Theorie In einem Josephson Kontakt sind die Wellenfunktionen der beiden Supraleiter durch die dunne nicht supraleitende Schicht gekoppelt Die Grosse der Kopplung wird im Wesentlichen durch die Dicke der Schicht bestimmt Der Suprastrom von Cooper Paaren getragene Strom durch diese Schicht I J displaystyle I mathrm J nbsp hat die Grosse I J I c sin D f displaystyle I mathrm J I mathrm c sin Delta varphi quad nbsp 1 Josephson Gleichung wobei D f displaystyle Delta varphi nbsp die Phasendifferenz der supraleitenden Wellenfunktionen beiderseits der Barriere darstellt und I c displaystyle I mathrm c nbsp der kritische Strom der Barriere ist Dabei gilt D f t 2 p F 0 U displaystyle frac partial Delta varphi partial t frac 2 pi Phi 0 U quad nbsp mitF 0 h 2 e displaystyle quad Phi 0 frac h 2e quad nbsp 2 Josephson Gleichung wobei F 0 displaystyle Phi 0 nbsp das magnetische Flussquant ist Diese Gleichung wird 2 Josephson Gleichung genannt Aufgrund der sich andernden Phasendifferenz tritt ein standig wechselnder Suprastrom auf Durch Einsetzen der 2 Josephson Gleichung in die 1 Josephson Gleichung erhalt man die entsprechende Frequenz Josephson Frequenz zu f J 2 e U h K J U displaystyle f mathrm J frac 2 e U h K mathrm J cdot U nbsp bzw w J 2 e U ℏ 2 p K J U displaystyle omega mathrm J frac 2 e U hbar 2 pi K mathrm J cdot U nbsp Hierbei ist 2 K J 1 F 0 2 e h 4 835 978 484 10 14 H z V displaystyle K mathrm J frac 1 Phi 0 frac 2 e h 4 835 978 484 ldots cdot 10 14 frac mathrm Hz mathrm V nbsp die Josephson Konstante Sie ist exakt bekannt weil e Elementarladung und h Planck Konstante seit 2019 zur Definition der SI Einheiten dienen und ihnen ein fester Wert zugewiesen wurde Da Frequenzen sehr prazise messbar sind eignet sich der Josephson Effekt als Spannungsnormal zur prazisen Darstellung der Einheit Volt Fur die sehr geringe Spannung von 1 mV ergibt sich beispielsweise die Frequenz von 483 5978 MHz Es bleibt noch zu erwahnen dass der Strom durch einen Josephson Kontakt abhangig von ausseren Magnetfeldern ist Genaugenommen lautet die 1 Josephson Gleichung I J I c sin D f 2 p F 0 S u p r a l e i t e r 1 S u p r a l e i t e r 2 A d l displaystyle I mathrm J I mathrm c sin left Delta varphi frac 2 pi Phi 0 int mathrm Supraleiter 1 mathrm Supraleiter 2 vec A mathrm d vec l right nbsp Hierbei ist A displaystyle vec A nbsp das magnetische Vektorpotential und das Integral ein Wegintegral das von dem 1 Supraleiter uber die Barriere zu dem 2 Supraleiter reicht Kennlinie eines Josephson Kontaktes Bearbeiten nbsp Strom Spannungs Kennlinie eines nicht hysteretischen Josephson KontaktesAn einem Josephson Kontakt finden mehrere Prozesse statt nicht hysteresischer Fall ohne Magnetfeld 3 Tunneln von Cooper Paaren durch die Barriere Josephson Effekt Tunneln einzelner Elektronen durch die Barriere Zerbrechen von Cooper Paaren und Tunneln der entstehenden Einzelelektronen durch die Barriere bei im Vergleich zur Bandlucke des Supraleiters hohen Spannungen Ohmsche Leitung durch die Barriere bei SNS Kontakten nicht bei SIS Kontakten Die beiden Supraleiter mit der Barriere dazwischen verhalten sich wie die Platten eines Plattenkondensators Da alle diese Prozesse parallel stattfinden gilt Die gemessene Spannung ist die Spannung des Josephson Effektes aus ihr lasst sich mittels der 2 Josephson Gleichung D f t textstyle frac partial Delta varphi partial t nbsp direkt berechnen Der gemessene Strom ist der Gesamtstrom aller stattfindenden Prozesse also im Wesentlichen die Summe aus dem Strom der Cooper Paare und dem Strom der Einzelelektronen zeitlich geglattet durch die Kondensatorwirkung des Kontaktes Gleichstrom Josephsoneffekt Ist die Spannung klein d h die Energie der Cooper Paare im elektrischen Feld gegenuber k B T displaystyle k mathrm B T nbsp vernachlassigbar ergibt die Minimierung der freien Energie des Systems dass sich im Gleichgewicht D f 2 z 1 p 2 textstyle Delta varphi 2z 1 frac pi 2 nbsp mit z Z textstyle z in mathbb Z nbsp einstellt D h I J I c displaystyle I mathrm J pm I mathrm c nbsp Ist keine aussere Spannungsquelle angeschlossen also I g e s a m t 0 displaystyle I mathrm gesamt 0 nbsp wird dieser Josephson Strom durch Tunneln von Einzelelektronen in Gegenrichtung kompensiert sodass sich keine Spannung aufbaut Ist eine geringe Spannung angelegt fliesst der Josephson Strom dagegen auf Grund des elektrischen Feldes durch die Spannungsquelle ab sodass fur den gemessenen Strom im Wesentlichen gilt I g e s a m t I J I c displaystyle I mathrm gesamt I mathrm J pm I mathrm c nbsp Wechselstrom Josephsoneffekt Ist die Spannung so gross dass die thermischen Effekte vernachlassigbar sind wird meist das Resistively and Capacitively Shunted Junction RCSJ Modell verwendet um eine DGL fur D f displaystyle Delta varphi nbsp aufzustellen Dabei wird der Gesamtstrom als Summe von Josephson Strom Ohmschem Strom Strom eines Kondensators angesetzt Bei durch eine Spannungsquelle erzwungener konstanter Spannung ergibt sich eine Phase von D f D f 0 w J t displaystyle Delta varphi Delta varphi mathrm 0 omega mathrm J t nbsp also ist der Josephson Strom dann ein Wechselstrom mit Kreisfrequenz w J displaystyle omega mathrm J nbsp Shapiro Stufen Wenn ein auf einen Josephson Kontakt Mikrowellen einwirken konnen Resonanzeffekte auftreten Entspricht die Frequenz der Mikrowellen gerade einem ganzzahligen Vielfachen der Josephson Frequenz treten in der Strom Spannungs Kennlinie Stufen gleicher Spannung auf die als Shapiro Stufen bezeichnet werden Der Abstand benachbarter Stufen ist D U f J K J w J 2 p K J displaystyle Delta U f mathrm J K mathrm J omega mathrm J 2 pi K mathrm J nbsp Technische Realisierung von Josephson Kontakten Bearbeiten nbsp Schematischer Aufbau eines Josephson KontaktesDie Barriere zur Trennung der beiden Supraleiter darf nur wenige Nanometer dick sein damit quantenmechanische Tunnelprozesse stattfinden konnen Dies kann auf verschiedene Arten realisiert werden Aufbau einer SNS oder SIS Anordnung in Dunnfilmtechnik durch Sputtern oder Laserablation Eine dunne Spitze aus supraleitendem Material die auf einen Supraleiter gedruckt wird Punktkontakt Spitzenkontakt wirkt ahnlich da an den Seiten der Spitze Tunneleffekte auftreten eventuell wird im normalleitenden Zustand einmalig ein so grosser Strom durch die Anordnung geschickt dass die dunnste Stelle der Einschnurung durch die Hitze oxidiert und so eine dunne isolierende Oxidschicht entsteht Eine sehr enge Einschnurung in einem supraleitenden Film die Effekte sind die gleichen wie beim Spitzenkontakt In stark anisotropen Hochtemperatursupraleitern wie zum Beispiel Bi2212 oder dem Pnictid LaO0 9F0 1FeAs findet die Supraleitung nur in Ebenen statt zwischen den Ebenen sind isolierende Schichten Durch Strukturieren lassen sich daher aus Einkristallen intrinsische Josephson Kontakte herstellen Anwendungen BearbeitenJosephsonkontakte werden eingesetzt als extrem schnelle Schaltelemente und sehr genaue Spannungsstabilisatoren Ausserdem werden sie in Systemen zur Messung extrem kleiner magnetischer Flusse SQUIDs eingesetzt Josephsonkontakte sind sehr genaue Frequenz zu Spannung Konverter Beim inversen Josephson Effekt betreibt man den Josephsonkontakt mit einer Spannung der Form U t ℏ 2 e w n a cos w t displaystyle U t frac hbar 2e omega n a cos omega t nbsp Man kann zeigen dass Ic dann konstant ist Diese Anordnung wird in Eichamtern als sehr genauer Frequenz zu Spannung Konverter fur die Eichung von Spannungen benutzt und dann Josephson Normal oder Josephson Quantennormal genannt Eine der am weitesten entwickelten Realisierung von Qubits fur Quantencomputer basiert auf supraleitenden Schaltkreisen mit Josephson Kontakten als zentralem nichtlinearen Bestandteil 4 Begrenzungen BearbeitenDa Josephsoneffekte nur in Verbindung mit Supraleitern auftreten mussen die Kontakte auf sehr tiefe Temperaturen gekuhlt werden was den Betrieb technisch recht aufwandig und unter Umstanden sehr kostspielig werden lasst Ein haufig verwendetes supraleitendes Material zur Herstellung von derartigen Kontakten ist Niob das bei 9 2 Kelvin supraleitend wird Zur Kuhlung auf diese Temperaturen wird flussiges Helium mit einer Temperatur von 4 2 Kelvin verwendet Josephson Kontakte aus Hochtemperatursupraleitermaterialien konnen auch bei flussig Stickstoff Temperatur 77 4 Kelvin gekuhlt werden Flussiger Stickstoff ist deutlich billiger und einfacher herzustellen als flussiges Helium allerdings ist der Herstellungsprozess fur Josephsonkontakte aus Hochtemperatursupraleitern deutlich teurer Literatur BearbeitenBrian D Josephson Possible New Effects in Superconducting Tunnelling In Physics Letters Bd 1 Nr 7 1962 S 251 253 doi 10 1016 0031 9163 62 91369 0 John M Rowell Philip Warren Anderson Donald E Thomas Image of the Phonon Spectrum in the Tunneling Characteristic between Superconductors In Physical Review Letters Bd 10 Nr 8 1963 S 334 336 doi 10 1103 PhysRevLett 10 334 Sidney Shapiro Josephson Current in Superconducting Tunneling The Effect of Microwaves and other Observations In Physical Review Letters Bd 11 Nr 2 1963 S 80 82 doi 10 1103 PhysRevLett 11 80 Brian D Josephson The Discovery of Tunnelling Supercurrents PDF 188 kB Nobelpreisrede 1973 Antonio Barone Gianfranco Paterno Physics and Applications of the Josephson effect John Wiley amp Sons New York NY 1982 ISBN 0 471 01469 9 Konstantin K Likharev Dynamics of Josephson Junctions and Circuits 3rd printing Gordon and Breach Science Publishers New York NY u a 1986 ISBN 2 88124 042 9 Charles Kittel Einfuhrung in die Festkorperphysik 13 korrigierte Auflage Oldenbourg Munchen u a 2002 ISBN 3 486 27219 5 Werner Buckel Reinhold Kleiner Supraleitung Grundlagen und Anwendungen 6 vollstandig uberarbeitete und erweiterte Auflage Wiley VCH Weinheim 2004 ISBN 3 527 40348 5 Einzelnachweise Bearbeiten Josephson effect in Bose Einstein Condensates in Nature 449 579 2007 CODATA Recommended Values National Institute of Standards and Technology abgerufen am 6 Juni 2019 Wert fur K J displaystyle K mathrm J nbsp Josephson tunnel junctions with ferromagnetic interlayer Eigenverlag Forschungszentrum Julich Julich 2006 abgerufen am 25 Marz 2014 A F Kockum F Nori Quantum Bits with Josephson Junctions In F Tafuri Hrsg Fundamentals and Frontiers of the Josephson Effect Springer Series in Materials Science Band 286 Springer 2019 S 703 741 doi 10 1007 978 3 030 20726 7 17 Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Josephson Effekt amp oldid 238475435 Josephson Konstante