Techniklexikon

Josephson-Effekt

Stromfluß zwischen zwei sich im Zustand der — Supraleitung befindlichen und durch einen dünnen Isolator voneinander getrennten Schichten infolge Tunneleffekts. Der Josephson-Tunnelstrom wird nicht wie beim herkömmlichen Tunneleffekt von einzelnen Elektronen getragen, sondern von den für die Supraleitung verantwortlichen Coo-per-Paaren (Elektronenpaare). Die Dicke der Isolatorschicht beträgt bei den Josephson-Elementen (auch Josephson-Übergang oder Josephson-Kontakt genannt) bis zu einigen Nanometern. An diesen Elementen können zwei grundlegende Effekte auftreten: • Der supraleitende Tunnelstrom liegt unterhalb seines Maximalwerts max; die isolierende Schicht verhält sich ebenfalls wie ein Supraleiter, so daß der Stromfluß ohne Spannungsabfall über das Element erfolgt (Gleichstromeffekt). Bringt man das Jo-sephson-Element in ein Magnetfeld, so verteilt sich der supraleitende Strom innerhalb der Isolatorschicht räumlich anders als ohne Magnetfeld. Der Strom ändert sich periodisch und verschwindet bei bestimmten Werten der magnetischen Feldstärke. • Legt man an das Josephson-Element eine Gleichspannung geeigneter Größe (bis etwa 10 ra¥) an, so fließt durch den Übergang ein sinusförmiger Wechselstrom der Amplitude 7max, dessen Frequenz der angelegten Gleichspannung mit dem Faktor 483, 59 GHzmV proportional ist (Wechselstromeffekt). Die Größe von 7max hängt neben der im Bild b gezeigten Beziehung zu Magnetfeldern vom verwendeten Werkstoff sowie von der Geometrie und der Temperatur des Jo-sephson-EIements ab. Der Josephson-Gleichstromeffekt kann für den Aufbau schneller Logik- und Speichereinheiten (Kryospeicher) und zum Nachweis geringer magnetischer Felder mittels sog. SQUID (engl. Abk. für superconducting quantum interference device, supraleitendes Quanteninterferometer) genutzt werden; der Josephson-Wechselstromeffekt zur Erzeugung, Detektierung und Mischung von Mikrowellen. Nachteilig wirkt sich, bei Anwendung des J. jedoch die notwendige Kühlung aus, da die Supraleitung derzeitig nur bei extrem tiefen Temperaturen (g etwa 20 K) bekannt ist.