Physikalisch-Technische Bundesanstalt

Im Jahre 1962 sagte der damals 22jährige britische Student Brian D. Josephson zwei Effekte voraus, die kurz darauf experimentell bestätigt werden konnten. Auf einem dieser Effekte basiert das moderne Josephson-Spannungsnormal.

Die Josephson-Effekte treten auf, wenn zwei Supraleiter schwach gekoppelt sind, indem sie z.B. durch eine isolierende Schicht von wenigen Nanometern getrennt sind. Wird auf ein derartiges Josephson-Element eine Mikrowelle (eine elektro-magnetische Schwingung) eingestrahlt, werden zwischen den beiden Supraleitern diskrete Spannungswerte erzeugt, die nur von dem Quotienten zweier Naturkonstanten und der Frequenz f der Mikrowelle abhängen. In der Kennlinie treten diese Stufen konstanter Spannung U _n bei folgenden Werten auf:

Dabei bedeuten n = 1, 2, 3, ... die Ordnung der Stufe, h das Plancksche Wirkungsquantum und e die Elementarladung. Aus historischen Gründen wird heute nicht h /2 e sondern der Kehrwert Josephson-Konstante K _J genannt.

Bei einer typischen Mikrowellenfrequenz um 70 GHz beträgt der Abstand benachbarter Stufen etwa 150 µV.

Mit dem Josephson-Effekt können Spannungen mit relativen Unsicherheiten von weniger als einem Zehn-Millardstel (1 : 10 ¹⁰, entsprechend 1 nV bei 10 V) reproduziert werden. Der Effekt wird deshalb weltweit als Basis für konstante Referenzspannungen in metrologischen Staatsinstituten und in Kalibrierlaboratorien der Industrie genutzt. Da die Josephson-Konstante nicht mit der dafür notwendigen Genauigkeit bekannt ist, wird für diesen Zweck überall ein gleicher, vereinbarter Wert genutzt, der mit K _J-90 bezeichnet wird:

K _J-90 = 483 597,9 GHz/V

Im Reinraumzentrum der PTB werden Schaltungen hergestellt, auf denen bis zu einigen zehntausend dieser Josephson-Elemente zusammengeschaltet sind, so daß sich Spannungen bis zu 10 V erzeugen lassen. Diese Schaltungen sind zentrale Komponenten moderner Josephson-Spannungsnormale.

Für seine Entdeckung wurde Josephson 1973 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.

Originalarbeit von B.D. Josephson

B.D. Josephson, "Possible new effects in superconductive tunnelling", Phys. Lett. 1 (1962) 251-253. 

Weiterführende Arbeiten zum Josephson-Spannungsnormal

J. Niemeyer, "Josephson voltage standards", in: Handbook of Applied Superconductivity, B. Seeber (Ed.), Institute of Physics Publishing, Bristol (1998) 1813-1834.

J. Niemeyer, "Das Josephsonspannungsnormal - Entwicklung zum Quantenvoltmeter", PTB-Mitteilungen 110 (2000) 169-177.

C.A. Hamilton, "Josephson voltage standards", Rev. Sci. Instrum., 71 (2000) 3611-3623.

R. Behr, F. Müller und J. Kohlmann, "Josephson junction arrays for voltage standards", in "Studies of Josephson junction arrays", Vol. 2, (Studies of high temperature superconductors: 40), A.V. Narlikar (Ed.), Nova Science Publ.: Huntington, NY (2002) 155-184.

J. Kohlmann, R. Behr und T. Funck, "Josephson voltage standards", Meas. Sci. Techn. 14 (2003) 1216-1228. 

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