Josephsonkytkimet

Josephsonkytkimet ovat kahden superjohtimen välissä olevia heikkoja liitoksia, joiden kautta Cooper-pareja voi tunneloitua. Tämä kvanttipartikkeli ilmiö – Josephsonin efekti – tuottaa sekä DC- että AC- ilmiöitä. DC Josephson -ilmiön mukaan virta voi kulkea ilman jännitetä, kun liitoksessa on kriittinen virta I_c. Kun jännite V on läsnä, virran ja jännitteen vaihtelu seuraa vaihe-ero φ: I = I_c sin φ ja dφ/dt = 2eV/ħ, minkä seurauksena virta voi vaihdella ajassa ja taajuus on f = (2e/h) V.

Rakenteeltaan kytkimet ovat tyypillisesti SIS-, SNS- tai ScS-tyyppejä. SIS-kytkimissä kahden superjohtimen väliin tulee ohut eristekerros (esim. AlOx), SNS-kytkimissä välissä on normaali metalli, ja ScS-tyypeissä käytetään kapeaa konduktiivista linkkiä. Kytkimen käyttäytymistä voidaan kuvata RSJ- tai RCSJ-mallilla, jossa on resistanssi, kapasiteetti ja joskus lisävarauksena varoaikainen reaktanssi. Materiaalina yleisimpiä ovat Nb- ja Al-pohjaiset rakenteet, jotka tarjoavat korkean kriittisen lämpötilan ja hyvän stabiilisuuden.

Käyttökohteet ja merkitys ovat laajoja. SQUID-magneettiset anturit hyödyntävät Josephson-efektin herkkyyttä pieniä magneettikenttiä varten. AC Josephson -ilmiö mahdollistaa jännitteen tarkat standardit ja volt-standardeja käyttöön. Kvanttikoneissa yksittäiset Josephson-kytkimet muodostavat suprakytkisiä logiikkayksiköitä, kuten transmon- ja muita qubit-tyyppejä, jotka ovat keskeisiä nykyisessä kvanttilaskennassa.