조지프슨 효과 문서 원본 보기

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[[파일:NISTvoltChip.jpg|섬네일|오른쪽|[[미국 국립표준기술연구소|국립표준기술연구소]]에 의해 개발된 표준 볼트로서의 조세프슨 접합 어레이 칩]]
'''조지프슨 효과''' 또는 '''조셉슨 효과'''({{llang|en|Josephson effect}})란 [[초전도 현상|초전도체]]와 초전도체 사이에 [[전류]]가 흐르지 못하는 [[절연체|부도체]]를 끼워넣어도 전류가 흐르는 현상을 말한다. 2개의 초전도체는 비전도 장벽으로 연결(Josephson Junction, 조지프슨 접합)되어 있으며, 이 장벽을 넘는 전류는 '''조지프슨 전류'''라고 불린다.

== 역사 ==
직류 조지프슨 효과는 1962년 이전의 실험에서 이미 관측되었으나 그 메커니즘 및 의의는 1962년 이전에는 알려지지 않았다.<ref>{{웹 인용|last=Josephson |first=Brian D. |title=The Discovery of Tunneling Supercurrents (Nobel Lecture) |date= 1973년 12월 12일 |url=http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1973/josephson-lecture_new.pdf}}</ref> 또한 조지프슨의 예측 전에 정상적인 (즉, 비초전도) 전자는 [[터널 효과]]를 수단으로 절연 장벽을 통해 유동할 수 있는 것으로 알려져 있었으나 초전도체에서 [[쿠퍼 쌍]]에 대한 유사한 효과는 알려지지 않았다.

영국의 물리학자인 [[브라이언 데이비드 조지프슨]]은 1962년도에 조지프슨 효과를 예측하는 논문을 발표하였으며,<ref name=Joe>{{저널 인용|first=B. D. |last=Josephson |title=The discovery of tunnelling supercurrents |journal=Rev. Mod. Phys. |year=1974 |volume=46 |issue=2 |pages=251–254 |doi=10.1103/RevModPhys.46.251 |bibcode=1974RvMP...46..251J}}</ref><ref>Josephson, B. D., "Possible new effects in superconductive tunnelling," ''Physics Letters'' '''1''', 251 (1962) {{doi|10.1016/0031-9163(62)91369-0}}</ref> 이 효과가 초전도체 사이에서 전자 [[쿠퍼 쌍]]의 직접 전도로 이어지는 장벽 절연의 틈에 기인한다고 설명하였다. [[필립 워런 앤더슨]]과 존 로웰({{llang|en|John Rowell}})은 조지프슨 효과를 실험적으로 시험하는 최초의 논문을 발표하였다.<ref>{{저널 인용|last=Anderson|first=P. W.|저자링크=필립 워런 앤더슨|coauthors=J. M. Rowell|title=Probable Observation of the Josephson Tunnel Effect|journal=Phys. Rev. Letters|year=1963|volume=10|pages=230|doi=10.1103/PhysRevLett.10.230|bibcode = 1963PhRvL..10..230A|언어=en }}</ref>

조지프슨 효과를 예측한 공로로 조지프슨은 1973년 [[노벨 물리학상]]을 수상하였다.<ref>[http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1973/ The Nobel prize in physics 1973], accessed 8-18-11</ref>

== 정의 ==
[[파일:Single josephson junction.svg|섬네일|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.<ref name="barone">{{서적 인용|last=Barone |first=A. |공저자=G. Paterno  |title=Physics and Applications of the Josephson Effect |location=New York |publisher=John Wiley & Sons |날짜=1982 |isbn=0-471-01469-9|언어=en }}</ref>
:<math>U(t) = \frac{\hbar}{2 e} \frac{\partial \phi}{\partial t}</math> (초전도 위상 진화 방정식)
:<math>I(t) = I_c \sin (\phi (t))</math> (조지프슨 또는 약한 연결 전류 위상 관계)
여기서 <math>U(t)</math>와 <math>I(t)</math>는 각각 조지프슨 접합 양단의 전압 및 전류이고, <math>\phi(t)</math>는 접합부에 걸친 위상차이다.<math>I_c</math>는 '''임계 전류 접합 상수'''이며, 이는 온도뿐만 아니라, 추가된 자기장에 의해 영향을 받을 수 있는 장치의 중요한 현상론적 매개변수이다. 물리적 상수 <math>h/2e</math>는 [[조지프슨 상수]]의 역인 [[자기 선속 양자]]이다.

[[파일:I-V characteristics of Josephson Junction.JPG|섬네일|오른쪽|조지프슨 접합의 일반적인 종류인 전형적인 I-V [[초전도 터널 접합]]의 특징. 세로축 범위는 50 μA이고 가로축 범위는 1 mV이다. 축<math>\scriptstyle U = 0</math> 조지프슨 효과를 보여준다. 높은 전류의 <math>\scriptstyle |U|</math>는 초전도체 [[띠틈]]의 유한한 값에 기인하고 위의 방정식에 의해 재생되지 않는다.]]

조지프슨 효과는 다음과 같이 세 가지 현상으로 나타난다.
* '''직류 조지프슨 효과'''({{llang|en|DC Josephson effect}})
* '''교류 조지프슨 효과'''({{llang|en|AC Josephson effect}})
* '''역 교류 조지프슨 효과'''({{llang|en|inverse AC Josephson effect}})

=== 직류 조지프슨 효과 ===
'''직류 조지프슨 효과'''는 [[터널 효과]]에 의한 외부 [[전자기장]]의 부재 하에 절연체로부터 직류 교차 현상이다. 이 조지프슨 전류가 절연체에 걸쳐 위상차의 [[사인 함수]]에 비례하고 <math>-I_c</math> 와 <math>I_c</math> 사이 값을 취한다.

=== 교류 조지프슨 효과 ===
'''교류 조지프슨 효과'''에서는 고정 전압 <math>U_{\text{DC}}</math> 접합부에 걸쳐, 위상은 시간에 따라 선형적으로 변화되고 교류 전류 <math>I_c</math>와 주파수 <math>\frac{2e}{h} U_{DC}</math>가 된다. 외부 전류 <math>I_\text{ext}</math>는
:<math>I_\text{ext} = C_J \frac{dv}{dt} \,+\, I_J \sin \phi+V/R</math>
가 된다. 이것은 조지프슨 접합이 완벽한 전압-주파수 변환기의 역할을 할 수 있음을 의미한다.

=== 역 교류 조지프슨 효과 ===
'''역 교류 조지프슨 효과'''에서는 위상이 이 형태를 취하는 경우
:<math>\phi (t)=\phi_0 + n \omega t + a \sin( \omega t)</math>
전압과 전류는 다음과 같다.
:<math>U(t) =(\hbar/2e)\omega ( n + a \cos( \omega t) )</math>
:<math>I(t) = I_c \sum_{m=-\infty}^\infty J_n (a) \sin (\phi_0 + (n + m) \omega t)</math>
직류 성분은 다음과 같다.
:<math>U_{DC} = n(\hbar/2e)\omega</math>
:<math>I(t) = I_c J_{-n} (a) \sin \phi_0</math>
따라서 별개의 교류 전압에 대해, 접합은 직류 전류를 운반하고 주파수-전압 변환기 역할을 수행할 수 있다.

== 응용 ==
조지프슨 접합은 [[초전도 양자 간섭 장치]](Superconducting QUantum Interference Device: SQUID), 초전도 [[큐비트]] 및 RSFQ 디지털 전자 등 양자 역학적 회로에 응용된다.

== 같이 보기 ==
* [[안드레예프 반사]]
* [[긴즈부르크-란다우 이론]]
* [[양자 컴퓨터]]
* [[영점 에너지]]
* [[조지프슨 소용돌이]]
== 참고 문헌 ==
{{위키공용분류}}
<references/>

{{전거 통제}}

[[분류:조지프슨 효과| ]]
[[분류:센서]]
[[분류:응집물질물리학]]
[[분류:초전도]]
[[분류:에너지 (물리학)]]