Josephson Junctions begrijpen: kwantummechanische stroom in supergeleiders

Josephson is een fenomeen dat optreedt in supergeleidende materialen wanneer er stroom vloeit tussen twee supergeleiders, gescheiden door een dunne isolerende barrière. Het werd ontdekt door Brian Josephson in 1962 en is sindsdien uitgebreid bestudeerd op het gebied van de fysica van de gecondenseerde materie. In een Josephson-overgang vloeit de stroom op kwantummechanische wijze door de isolerende barrière, wat betekent dat de stroom niet continu is, maar bestaat eerder uit afzonderlijke quanta, of 'Josephson-deeltjes'. Deze deeltjes zijn het resultaat van het tunnelen van Cooper-paren (elektronenparen met tegengestelde spin) door de isolerende barrière. Een van de belangrijkste eigenschappen van Josephson-overgangen is het vermogen om een constante stroom over een breed spanningsbereik te handhaven. Deze eigenschap heeft Josephson-juncties bruikbaar gemaakt in een verscheidenheid aan toepassingen, waaronder supergeleidende kwantumcomputers en hooggevoelige sensoren. Josephson-juncties kunnen worden gemaakt met behulp van een verscheidenheid aan materialen, waaronder niobium, titaniumnitride en yttriumbariumkoperoxide. Ze worden doorgaans vervaardigd met behulp van dunne-filmdepositietechnieken, zoals sputteren of verdamping. Naast hun praktische toepassingen hebben Josephson-overgangen ook interessante theoretische eigenschappen. Ze vertonen bijvoorbeeld een fenomeen dat bekend staat als 'kwantumfluctuaties', wat kan leiden tot de vorming van macroscopische kwantumtoestanden in de junctie. Deze toestanden zijn niet aanwezig in klassieke systemen en zijn een belangrijk kenmerk van de kwantummechanica.