我们人人都吃过三明治，两层面包片中间夹一层肉或蔬菜什么的。吃三明治不希奇，但如果说，一个人吃三明治吃出诺贝尔奖来，那就肯定十分地希奇了。1962年英国牛津大学做研究生B.D.约瑟夫森预言，做一个超导体/绝缘层/超导体的隧道结，如果绝缘层的厚度只有几十埃时，超导体电子对可以越过绝缘层形成电流，而隧道结两端没有电压，即绝缘层也成了超导体。很快，P.W.安德森和J.M.罗厄耳的实验观测证实了Josephson效应。约瑟夫森因为这个工作获得1973年诺贝尔奖物理奖。坊间传说，约瑟夫森就是受到三明治的启发，而做出这个重要的工作的。当然，这故事是不是属实已经无法考证了，就象我们已经无法考证当初牛顿发现万有引力是否是受到那个著名的苹果的启发。可以肯定地讲，提出Josephson效应不是吃吃三明治那么简单，当然需要坚实的物理理论和数学基础以及大胆的想象力和创造力。

根据量子力学理论，电子可以[象崂山道士一样]隧穿通过一定能垒，即所谓量子隧道效应。而Josephson效应也就是电子对通过两块超导金属间的薄绝缘层（厚度约为5-30埃）时发生的量子力学隧道效应，是一种新的隧道效应。这里，两块超导金属就相当于三明治的两层面包片，而中间的薄绝缘层就相当于三明治中间夹一层肉。电子是以电子对的形式隧穿通过能垒。目前，约瑟夫森效应和超导结电子学已经逐渐发展成为超导电性的研究领域的重要分支。而制备不同材料构成的隧道结以研究其中存在的量子效应已经成为物理学家和材料物理学家的家常便饭。谁再想靠吃吃三明治就得诺贝尔奖已经不太可能了。

Josephson效应包括直流约瑟夫森效应、交流约瑟夫森效应。超导隧道结能够承载直流超导电流的现象称为直流约瑟夫森效应。当直流电流通过超导隧道结时，只要电流值低于某一临界电流Ic，则与一块超导体相似，隧道结上不存在任何电压，即流过隧道结的是超导电流。但一旦超过临界电流值，隧道结上即出现一个有限的电压，结的性状过渡到正常电子的隧道特性。超导隧道结在直流电压作用下，产生超导交流电流，从而能辐射电磁波的特性，称为交流约瑟夫森效应。如果在超导结的结区两端加上一直流电压V，当电流大于临界电流时，在结区就出现高频的超导正弦波电流，其频率与所施加的直流电压成正比。这个频率与超导隧道结的结构和超导材料的性质、种类等因素无关，所以可用作为电压的基准。约瑟夫森效应作为一种宏观量子力学效应，可制作超导量子干涉器件。典型器件是直流超导量子干涉器件，常用来组成超导磁强计、磁梯度计、磁化率计等，具有很高的精确度。约瑟夫森器件还可作为微波和远红外线的探测器和混频器。

由BCS（巴丁（J.Bardeen）、库珀（L.V.Cooper）、施里弗（J.R.Schrieffer））的超导理论，在一块超导体中所有的库珀电子对因为具有长程有序从而具有相同的位相。可以想象，许多对男女青年在一个舞厅跳集体舞，步伐非常地整齐划一，随着悠扬的舞曲而旋转的角度都是一样的。如果约瑟夫森结的两块超导体中间的绝缘层较厚，则两块超导体中电子没有关联，从而各自具有独立的位相φ₁和φ₂。这种情况相当于，被一个厚墙分开的两个舞厅中跳集体舞的男女青年，均统一地按各自舞厅里舞曲的旋律起舞。由于厚墙很厚，两个舞厅之间没有任何联系或干扰，两个舞厅中舞伴旋转的角度也就不同。但是，当绝缘层减小到某一临界厚度后，两块超导体中的超导电子就以位相差 φ＝φ₁-φ₂联系起来。这时，绝缘层就成为一个"弱"超导体，在两块超导体间存在弱关联，其相位既不相同，又不彼此独立。可以想象，当两个舞厅间的墙在逐渐减薄，一些在两个分开的舞厅间中跳集体舞的男女青年[象崂山道士一样]可以偷偷地穿过这个薄墙跑到另外一个舞厅里跳舞，在加入另外一个舞厅里跳舞的人群中时，势必会对其他舞伴的行动有所干扰。最后，两个舞厅里的舞伴的旋转角度取决于两者之间的关联，相互之间有一定的影响。并且，随着墙的厚度的减薄，两边的干扰越来越强。这种库珀对可通过这个"弱"超导体而出现超流隧道或电子对隧道效应。超导隧道电流密度Js与位相差的关系为，J_s =J_c sinφ，式中J_c为临界电流密度，与两块超导体的性质和绝缘层的厚度以及所处的温度有关。位相φ受电压V或磁场H的调制，φ与V或H的关系为: 。一个舞厅里的舞伴穿越到另外一个舞厅里而影响其他舞伴的跳舞的行为显然是一种全局性的行为。

我们看到，在Josephson效应中又遇到了波函数中的相因子，在存在弱关联的两块超导体间的既不相同又不彼此独立的相位，导致的位相差与超导隧道电流密度密切相关。而这种位相差与超导和绝缘材料本身的性质以及隧道结紧密相连。而其更深层次的物理本质与非局域性、拓扑学连通性都有联系。从另外一个角度讲，Josephson效应与我们前面的博文中介绍的Aharonov-Bohm效应和Berry相效应在最基本的层次上有一定的关联和相通之处。也可以看出，量子力学的相因子效应几乎如影随形无处不在。

相关博文:

物理世界的相因子-3- Berry相效应

物理世界的相因子-2- Aharonov-Bohm效应

物理世界的相因子-1-开篇

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