Erfahren Sie mehr über den Josephson-Effekt, ein Quantenphänomen in Supraleitern, das wichtige Anwendungen in der Technik hat.
Was ist der Josephson-Effekt?
Der Josephson-Effekt ist ein Phänomen der Quantenmechanik, das erstmals 1962 vom britischen Physiker Brian D. Josephson vorhergesagt wurde. Dieser Effekt tritt auf, wenn zwei supraleitende Materialien durch eine sehr dünne Isolierschicht – auch Josephson-Kontakt genannt – voneinander getrennt sind. Supraleiter sind Materialien, die unterhalb einer kritischen Temperatur den elektrischen Strom ohne elektrischen Widerstand leiten können.
Im Rahmen des Josephson-Effekts können Elektronenpaare – sogenannte Cooper-Paare – die isolierende Schicht zwischen den Supraleitern ohne angelegte Spannung „tunneln“. Dieser Tunnel-Effekt sorgt dafür, dass selbst bei fehlender Spannungsdifferenz ein Strom, der sogenannte Josephson-Strom (IJ), durch den Kontakt fließen kann. Die Stärke dieses Stromes ist direkt abhängig vom Phasenunterschied der quantenmechanischen Wellenfunktionen der beiden Supraleiter.
Mathematische Beschreibung
Die Beziehung zwischen dem Josephson-Strom und dem Phasenunterschied der Wellenfunktionen kann durch die sogenannte Josephson-Gleichungen beschrieben werden:
- Die Strom-Phasen-Beziehung: \( I = I_c \sin(\phi) \), wobei \( I \) der Josephson-Strom, \( I_c \) der kritische Strom (die maximale Stromstärke, die ohne Spannungsabfall über den Kontakt fließen kann) und \( \phi \) der Phasenunterschied zwischen den Wellenfunktionen der beiden Supraleiter ist.
- Die Spannungs-Phasen-Beziehung: \( \frac{d\phi}{dt} = \frac{2eV}{\hbar} \), wobei \( e \) die Elementarladung, \( V \) die Spannung über dem Kontakt und \( \hbar \) das reduzierte Plancksche Wirkungsquantum sind.
Diese Gleichungen zeigen, wie ein konstanter Strom übertragen wird, wenn keine Spannung vorliegt, und wie eine Veränderung des Phasenunterschieds über die Zeit direkt zu einer messbaren Spannung führt, wenn eine konstante Spannung angelegt wird.
Anwendungen des Josephson-Effekts
Der Josephson-Effekt hat eine Vielzahl von Anwendungen in der modernen Technik und Wissenschaft gefunden, insbesondere in der Mess- und Sensortechnik, Quantencomputern sowie in der Definition des Volt.
Mess- und Sensortechnik
Josephson-Kontakte werden in so genannten „SQUIDs“ (Superconducting Quantum Interference Devices) verwendet, die zu den empfindlichsten Magnetfeldsensoren zählen. Diese Geräte nutzen den Josephson-Effekt, um winzige Veränderungen des Magnetfelds zu detektieren, die dann in elektrische Signale umgewandelt werden. Sie werden in der medizinischen Bildgebung, wie zum Beispiel bei MRT-Verfahren, sowie in der geologischen Erkundung eingesetzt.
Quantencomputer
Einige Designs von Quantencomputern verwenden den Josephson-Effekt, um die grundlegenden Informationen – Qubits – zu erzeugen und zu kontrollieren. Josephson-Junctions können verwendet werden, um Zustände zu koppeln und Überlagerungen herzustellen, die zentrale Komponenten für Quantencomputing sind.
Definition von elektrischen Standards
Weiterhin hat der Josephson-Effekt eine Schlüsselrolle in der Metrologie gespielt, da er zur Definierung des Volt beiträgt. Josephson-Spannungsstandards basieren auf der quantenmechanischen Frequenz-Spannungs-Beziehung und bieten damit eine äußerst genaue Messmethode für elektrische Spannungen.
Schlussfolgerung
Der Josephson-Effekt ist ein bemerkenswertes Phänomen, das tief in die Quantenwelt blickt und gleichzeitig praktische Anwendungen in einer Reihe von hochtechnologischen Feldern bietet. Durch das Verständnis und die Nutzung der Eigenschaften von Supraleitern trägt der Effekt dazu bei, dass wissenschaftliche und technologische Fortschritte in Bereiche vordringen, die ohne ihn unerreichbar wären. Es ist ein Paradebeispiel dafür, wie grundlegende physikalische Entdeckungen zu Innovationen führen können, die unseren Alltag und unser Verständnis der Welt prägen.
