Josephsoneffekt

Der Josephson-Effekt, englisch Josephson effect, beschreibt ein Phänomen der Supraleitung, bei dem ein Strom zwischen zwei Supraleitern fließen kann, die durch eine dünne Barriere getrennt sind. Er entsteht durch den Tunneling-Prozess von Cooper-Paaren und die makroskopische Quantenkohärenz der Supraleiter. Der Effekt wurde 1962 von Brian D. Josephson theoretisch vorhergesagt und später experimentell bestätigt.

Es gibt zwei Hauptausprägungen: Der DC-Josephson-Effekt und der AC-Josephson-Effekt. Beim DC-Josephson-Effekt fließt ein konstanter Superstrom I durch die Barriere, ohne angelegte Spannung, beschrieben durch I = I_c sin(φ), wobei I_c die kritische Stromstärke und φ der Phasenunterschied der Supraleiter ist. Die Phasenentwicklung hängt davon ab, ob eine Spannung anliegt.

Beim AC-Josephson-Effekt wird bei angelegter Konstanter Spannung V eine zeitliche Änderung des Phasenunterschieds durch dφ/dt = (2e/ħ) V induziert, was zu einer oscilliierenden Stromkomponente mit der Frequenz f = (2e/h) V führt. Damit lässt sich V direkt in eine Frequenz umsetzen und umgekehrt.

Typen von Josephson-Junctions umfassen SIS (Superconductor-Insulator-Superconductor), SNS (Superconductor-Normal conductor-Superconductor) und SFS (Superconductor-Ferromagnet-Superconductor). Die Phänomene beruhen auf der kohärenten Kopplung der Electron-Paare über die Barriere.

Anwendungen finden sich in SQUIDs (ultrasensible Magnetometer), in supraleitenden Qubits für die Quanteninformatik und in der Metrologie, wo die Josephson-Konstante K_J = 2e/h für voltbasierte Standards genutzt wird. Der Josephson-Effekt bleibt ein zentrales Konzept in Physik und Technologie der Supraleitung.