Контакт Джозефсона складається з двох надпровідників, розділених тонким ізолюючим бар'єром. Пари Купера тунелюють крізь бар'єр когерентно, породжуючи макроскопічні квантові явища: DC та AC ефекти Джозефсона, які є основою надпровідних квантових пристроїв.
I = Ic · sin(φ) (надпровідний струм)
dφ/dt = 2eV / ℏ (еволюція фази AC)
f_J = 2eV / h (частота Джозефсона)
≈ 483,6 МГц / мкВ
β_c = 2e Ic R² C / ℏ (параметр Маккамбера)Браян Джозефсон передбачив ці ефекти у 1962 році, будучи 22-річним аспірантом, та отримав Нобелівську премію з фізики у 1973 році. Константа Джозефсона KJ = 2e/h = 483 597,848… ГГц/В — одна з найточніше виміряних констант у фізиці, що є основою міжнародного стандарту вольта з 1990 року.
Контакт Джозефсона — квантовий пристрій із двох надпровідників, розділених тонким ізолюючим бар'єром (або слабкою ланкою), крізь який пари Купера тунелюють когерентно без падіння напруги, створюючи бездисипативний надпровідний струм I = Ic sin(φ).
DC ефект Джозефсона — протікання надпровідного струму I = Ic sin(φ) крізь контакт за відсутності напруги. Струм залежить лише від квантової різниці фаз φ між двома надпровідниками. Будь-який струм до Ic протікає без опору.
При прикладенні постійної напруги V фаза еволюціонує як dφ/dt = 2eV/ℏ, породжуючи осцилюючий надпровідний струм на частоті Джозефсона fJ = 2eV/h ≈ 483,6 МГц/мкВ. Це пов'язує напругу безпосередньо з частотою, дозволяючи надточне вимірювання напруги.
Модель RSJ представляє контакт як ідеальний елемент Джозефсона паралельно з шунтовим опором R (та ємністю C). Повний струм I = Ic sin(φ) + V/R + C dV/dt описує всю динаміку: режим DC фазового замикання та AC осцилюючий режим при фіксованій напрузі.
Параметр Маккамбера βc = 2eIcR²C/ℏ характеризує загасання контакту. При βc < 1 контакт перезагасений і не має гістерезису у ВАХ. При βc > 1 контакт недозагасений і демонструє гістерезисне перемикання між надпровідною та резистивною гілками ВАХ.
Оскільки fJ = (2e/h) × V, вимірювання мікрохвильової частоти осциляцій Джозефсона дає абсолютне визначення DC напруги. Константа Джозефсона KJ = 483 597,848 ГГц/В відома з точністю понад 10 значущих цифр, що робить масиви Джозефсона первинним стандартом напруги у національних метрологічних інститутах.
Надпровідний квантовий інтерференційний пристрій (СКВІД) містить один або два контакти Джозефсона в надпровідному кільці. Магнітний потік крізь кільце зсуває інтерференційний патерн хвильових функцій пар Купера, модулюючи ефективний критичний струм. СКВІДи виявляють магнітні поля до кількох фемтотесла — найчутливіші магнетометри у світі.
Кожен надпровідник описується макроскопічною квантовою хвильовою функцією Ψ = |Ψ|eiθ. Різниця фаз φ = θ2 − θ1 крізь контакт визначає як амплітуду надпровідного струму (sin φ), так і через друге рівняння Джозефсона — напругу (dφ/dt = 2eV/ℏ).
Коли струм зміщення перевищує Ic, жодна статична різниця фаз не може забезпечити необхідний надпровідний струм. Фаза починає обертатися (проковзування фази зі швидкістю dφ/dt = 2eV/ℏ), генеруючи середню напругу на контакті. Система переходить із нульовотмпругової надпровідної гілки на резистивну гілку ВАХ.
Контакти Джозефсона забезпечують нелінійну індуктивність для створення ангармонічного квантового осцилятора — надпровідного кубіта. Трансмон, потоковий кубіт та флюксоній використовують контакти для адресації окремих рівнів енергії мікрохвильовими імпульсами. Вони працюють при мілікельвінних температурах для придушення теплової декогеренції.
Фазова динаміка контакту RSJ математично тотожна динаміці загасаючої частинки на похилому хвилеподібному потенціалі U(φ) = −Ic cosφ − (Iℏ/2e)φ. При I < Ic частинка лежить у потенційній ямі (DC ефект). При I > Ic вона ковзає вниз, і середня швидкість відповідає напрузі Джозефсона.