Josephson-Kontakte verstehen: Quantenmechanischer Stromfluss in Supraleitern

Josephson ist ein Phänomen, das in supraleitenden Materialien auftritt, wenn ein Strom zwischen zwei Supraleitern flie+t, die durch eine dünne Isolierbarriere getrennt sind. Es wurde 1962 von Brian Josephson entdeckt und seitdem ausführlich auf dem Gebiet der Physik der kondensierten Materie untersucht.

In einem Josephson-Kontakt flie+t der Strom auf quantenmechanische Weise durch die isolierende Barriere, was bedeutet, dass der Strom nicht kontinuierlich ist, sondern besteht vielmehr aus diskreten Quanten oder „Josephson-Teilchen“. Diese Teilchen sind das Ergebnis des Tunnelns von Cooper-Paaren (Elektronenpaaren mit entgegengesetztem Spin) durch die isolierende Barriere.

Eine der Schlüsseleigenschaften von Josephson-Kontakten ist die Fähigkeit, einen konstanten Strom über einen weiten Spannungsbereich aufrechtzuerhalten. Diese Eigenschaft hat Josephson-Kontakte in einer Vielzahl von Anwendungen nützlich gemacht, darunter supraleitende Quantencomputer und hochempfindliche Sensoren.

Josephson-Kontakte können aus einer Vielzahl von Materialien hergestellt werden, darunter Niob, Titannitrid und Yttrium-Barium-Kupferoxid. Sie werden typischerweise mithilfe von Dünnschichtabscheidungstechniken wie Sputtern oder Verdampfen hergestellt.

Zusätzlich zu ihren praktischen Anwendungen haben Josephson-Kontakte auch interessante theoretische Eigenschaften. Sie weisen beispielsweise ein Phänomen auf, das als „Quantenfluktuationen“ bekannt ist und zur Bildung makroskopischer Quantenzustände im Übergang führen kann. Diese Zustände kommen in klassischen Systemen nicht vor und sind ein Schlüsselmerkmal der Quantenmechanik.