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Кыргызча⚡ Josephson-Kontakt — AC- & DC-Josephson-Effekte
Erkunde DC- und AC-Josephson-Effekte: Ein Suprastrom tunnelt durch eine dünne isolierende Barriere; unter angelegter Spannung oszilliert die Phase mit der Frequenz 2eV/h.
Über diese Simulation
Diese Simulation integriert das RCSJ-Modell (resistiv und kapazitiv geshunteter Kontakt) eines Josephson-Kontakts, bei dem der Suprastrom I = Ic·sin(φ) nur von der quantenmechanischen Phasendifferenz φ zwischen zwei schwach gekoppelten Supraleitern abhängt. Im DC-Modus wird ein fester Vorstrom angelegt, und die Phasenbewegungsgleichung wird mit Runge-Kutta 4. Ordnung gelöst, was zeigt, ob der Kontakt dissipationsfrei bleibt oder in einen resistiven Zustand wechselt. Im AC-Modus zwingt eine feste Spannung die Phase, sich mit konstanter Rate weiterzudrehen, was die Josephson-Spannungs-Frequenz-Beziehung dφ/dt = 2eV/ħ reproduziert. Drei verknüpfte Panels — Phasenportrait, zeitabhängiger Suprastrom und I-V-Kennlinie — lassen dich diese beiden Regime und ihren Übergang in Echtzeit beobachten.
🔬 Was sie zeigt
Das Phasenportrait trägt φ mod 2π gegen dφ/dt auf und zeigt geschlossene Bahnen, wenn der Kontakt supraleitend ist, und driftende Trajektorien, sobald er in den resistiven Zweig wechselt. Das Zeitbereichspanel zeichnet den Suprastrom Is(t) gegen die ±Ic-Grenzen auf, während das I-V-Panel den Vorstrom durchläuft, um die Durchschnittsspannungs-Kennlinie aufzubauen, mit dem scharfen Knick am kritischen Strom.
🎮 Bedienung
Wechsle den Modus-Wähler zwischen DC-Josephson (stromvorgespannt) und AC-Josephson (spannungsvorgespannt). Stelle den kritischen Strom Ic (0,1–2,0), das Vorstromverhältnis I/Ic (0–2,0) für den DC-Modus und die Spannungsvorspannung V (0,05–3,0) für den AC-Modus ein. Der Dämpfungsregler stellt βc−½ (0,05–2,0), die inverse Quadratwurzel des McCumber-Parameters, ein und regelt den Kontakt von überdämpft zu unterdämpft. Pausiere, setze zurück oder öffne das Info-Panel mit den Bildschirmschaltflächen.
💡 Wusstest du schon?
Da die Josephson-Frequenz fJ = 2eV/h Spannung über fundamentale Konstanten direkt mit Frequenz verknüpft, erzeugen mit Mikrowellen angetriebene Kontaktreihen quantisierte Spannungsstufen (Shapiro-Stufen), die präzise genug sind, um den internationalen Volt-Standard zu definieren, während Schleifen aus Kontakten, sogenannte SQUIDs, Magnetfelder bis in den Femtotesla-Bereich messen.
Häufig gestellte Fragen
Was ist der Unterschied zwischen dem DC-Modus und dem AC-Modus hier?
Der DC-Modus stromvorspannt den Kontakt: Du stellst I/Ic ein, und die Simulation integriert die Phasengleichung, um herauszufinden, ob eine statische Phase (Spannung null) oder eine rotierende Phase (endliche Spannung) resultiert. Der AC-Modus spannungsvorspannt ihn stattdessen: Du stellst V direkt ein, und die Phase wird gezwungen, mit der festen Rate dφ/dt = 2eV/ħ voranzuschreiten, was stets einen oszillierenden Suprastrom erzeugt.
Was steuert der Dämpfungsregler eigentlich?
Die Dämpfungssteuerung stellt βc−½ , die inverse Quadratwurzel des McCumber-Parameters, der in der RCSJ-Bewegungsgleichung auftritt, ein. Niedrige Werte entsprechen einem unterdämpften Kontakt mit hoher Güte, dessen I-V-Kurve hysteretisch ist, während hohe Werte einem überdämpften Kontakt entsprechen, der glatt zwischen dem supraleitenden und dem resistiven Zweig ohne Hysterese wechselt.
Warum zeichnet das Phasenportrait manchmal geschlossene Schleifen und driftet manchmal seitwärts?
Eine geschlossene Schleife bedeutet, dass die Phase φ um einen Fixpunkt oszilliert, ohne jemals eine volle Umdrehung zu vollenden — der Kontakt ist supraleitend und führt einen statischen (oder begrenzten) Suprastrom. Eine Trajektorie, die kontinuierlich über das Panel driftet, bedeutet, dass φ sich unbegrenzt weiterdreht, was einer laufenden, zeitgemittelten Spannung entspricht: Der Kontakt ist in seinen resistiven Zweig gewechselt.
Was stellt das I-V-Panel dar, und warum gibt es einen Knick?
Es durchläuft den DC-Vorstrom von null bis 2,5·Ic, lässt die Phasendynamik bei jedem Wert einschwingen und misst die resultierende zeitgemittelte Spannung ⟨dφ/dt⟩. Unter Ic bleibt die durchschnittliche Spannung null, weil die Phase stillstehen kann; sobald der Vorstrom Ic übersteigt, kann keine statische Phase den Strom ausgleichen, sodass die Phase zu rotieren beginnt und die durchschnittliche Spannung steil ansteigt — der Knick markiert den kritischen Strom.
Was geschieht physikalisch, wenn der Vorstrom Ic übersteigt?
Sobald I/Ic den Wert 1 übersteigt, kann der Kontakt keine konstante Phasendifferenz mehr aufrechterhalten, sodass φ kontinuierlich zu rotieren beginnt, statt sich auf einen festen Wert einzupendeln. Jede volle Umdrehung von φ um 2π entspricht einem Flussquant, das den Kontakt durchquert, und die zeitgemittelte Rotationsrate zeigt sich als echte Spannung darüber, wodurch sich die Zustandsanzeige von „SC“ zu „Resistiv“ ändert.
Erkunde DC- und AC-Josephson-Effekte: Ein Suprastrom tunnelt durch eine dünne isolierende Barriere; unter angelegter Spannung oszilliert die Phase mit der Frequenz 2eV/h.
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