조지프슨 효과

위키백과, 우리 모두의 백과사전.
이동: 둘러보기, 검색
국립표준기술연구소에 의해 개발된 표준 볼트로서의 조세프슨 접합 어레이 칩

조지프슨 효과(Josephson effect)란 초전도체와 초전도체 사이에 전류가 흐르지 못하는 부도체를 끼워넣어도 전류가 흐르는 현상을 말한다. 2개의 초전도체는 비전도 장벽으로 연결(조지프슨 접합)되어 있으며, 이 장벽을 넘는 전류는 조지프슨 전류라고 불린다.

역사[편집]

직류 조지프슨 효과는 1962년 이전의 실험에서 이미 관측되으나, 그 메커니즘 및 의의는 1962년 이전에는 알려지지 않았다.[1] 또한, 조지프슨의 예측 전에, 정상적인 (즉, 비초전도) 전자는 터널 효과를 수단으로 절연 장벽을 통해 유동할 수 있는 것으로 알려져 있었으나, 초전초체에서 쿠퍼 쌍에 대한 유사한 효과는 알려지지 않았다.

영국의 물리학자인 브라이언 데이비드 조지프슨은 1962년도에 조지프슨 효과를 예측하는 논문을 발표하였으며,[2].[3][2] 이 효과가 초전도체 사이에서 전자 쿠퍼 쌍의 직접 전도로 이어지는 장벽 절연의 틈에 기인한다고 설명하였다. 필립 워런 앤더슨과 존 로웰(영어: John Rowell)은 조지프슨 효과를 실험적으로 시험하는 최초의 논문을 발표하였다.[4]

조지프슨 효과를 예측한 공로로 조지프슨은 1973년 노벨 물리학상을 수상하였다.[5]

정의[편집]

조지프슨 접합의 다이어그램, A와 B는 초전도체를 나타내고 C는 그들 사이의 약한 연결을 나타낸다.

조지프슨 효과는 거시적 양자 현상의 예이다. 조지프슨 효과의 기본 방정식은 다음과 같다.[6]

U(t) = \frac{\hbar}{2 e} \frac{\partial \phi}{\partial t} (초전도 위상 진화 방정식)
I(t) = I_c \sin (\phi (t)) (조지프슨 또는 약한 연결 전류 위상 관계)

여기서 U(t)I(t)는 각각 조지프슨 접합 양단의 전압 및 전류이고, \phi(t)는 접합부에 걸친 위상차이다.I_c임계 전류 접합 상수이며, 이는 온도뿐만 아니라, 추가된 자기장에 의해 영향을 받을 수 있는 장치의 중요한 현상론적 매개변수이다. 물리적 상수 h/2e조지프슨 상수의 역인 자기 선속 양자이다.

조지프슨 접합의 일반적인 종류인 전형적인 I-V 초전도 터널 접합의 특징. 세로축 범위는 50 μA이고 가로축 범위는 1 mV이다. 축\scriptstyle U = 0 조지프슨 효과를 보여준다. 높은 전류의 \scriptstyle |U|는 초전도체 띠틈의 유한한 값에 기인하고 위의 방정식에 의해 재생되지 않는다.

조지프슨 효과는 다음과 같이 세 가지 현상으로 나타난다.

  • 직류 조지프슨 효과(영어: DC Josephson effect)
  • 교류 조지프슨 효과(영어: AC Josephson effect)
  • 역 교류 조지프슨 효과(영어: inverse AC Josephson effect)

직류 조지프슨 효과[편집]

직류 조지프슨 효과터널 효과에 의한 외부 전자기장의 부재 하에 절연체로부터 직류 교차 현상이다. 이 조지프슨 전류가 절연체에 걸쳐 위상차의 사인 함수에 비례하고 -I_cI_c 사이 값을 취한다.

교류 조지프슨 효과[편집]

교류 조지프슨 효과에서는 고정 전압 U_{\text{DC}} 접합부에 걸쳐, 위상은 시간에 따라 선형적으로 변화되고 교류 전류 I_c와 주파수 해석 실패 (어휘 오류): \(2e/h)U_{\text{DC}} 가 된다. 외부 전류 I_\text{ext}

I_\text{ext} = C_J \frac{dv}{dt} \,+\, I_J \sin \phi+V/R

가 된다. 이것은 조지프슨 접합이 완벽한 전압-주파수 변환기의 역할을 할 수 있음을 의미한다.

역 교류 조지프슨 효과[편집]

역 교류 조지프슨 효과에서는 위상이 이 형태를 취하는 경우

\phi (t)=\phi_0 + n \omega t + a \sin( \omega t)

전압과 전류는 다음과 같다.

U(t) =(\hbar/2e)\omega ( n + a \cos( \omega t) )
I(t) = I_c \sum_{m=-\infty}^\infty J_n (a) \sin (\phi_0 + (n + m) \omega t)

직류 성분은 다음과 같다.

U_{DC} = n(\hbar/2e)\omega
I(t) = I_c J_{-n} (a) \sin \phi_0

따라서 별개의 교류 전압에 대해, 접합은 직류 전류를 운반하고 주파수-전압 변환기 역할을 수행할 수 있다.

응용[편집]

조지프슨 접합은 초전도 양자 간섭계, 초전도 큐비트 및 RSFQ 디지털 전자 등 양자 역학적 회로에 응용된다.

참고 문헌[편집]

  1. Josephson, Brian D. (1973년 12월 12일). The Discovery of Tunneling Supercurrents (Nobel Lecture).
  2. B. D. Josephson. The discovery of tunnelling supercurrents. Rev. Mod. Phys. 1974; 46(2): 251-254.
  3. Josephson, B. D., "Possible new effects in superconductive tunnelling," Physics Letters 1, 251 (1962) doi:10.1016/0031-9163(62)91369-0
  4. (영어) Anderson, P. W., J. M. Rowell (1963년). Probable Observation of the Josephson Tunnel Effect. 《Phys. Rev. Letters》 10: 230. doi:10.1103/PhysRevLett.10.230. Bibcode1963PhRvL..10..230A.
  5. The Nobel prize in physics 1973, accessed 8-18-11
  6. (영어) Barone, A., G. Paterno (1982년). 《Physics and Applications of the Josephson Effect》. New York: John Wiley & Sons. ISBN 0-471-01469-9