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Josephson-Effekte und Josephson-Spannungsnormal

Abteilung 2

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 Un bei folgenden Werten auf:

 

Un = n x h/2e x f

 

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/2e sondern der Kehrwert Josephson-Konstante KJ genannt.
Bei einer typischen Mikrowellenfrequenz um 70 GHz beträgt der Abstand benachbarter Stufen etwa 150 µV.

 

  

Bild links: Stromstärke-Spannungs-Kennlinie für einen konventionellen Supraleiter-Isolator-Supraleiter (SIS) Josephson-Kontakt (X: 100 µA/div. und Y: 1 mV/div.)
Bild rechts: Stromstärke-Spannungs-Kennlinie für den selben Kontakt unter Mikrowelleneinstrahlung. Die Stufen konstanter Spannung (Shapiro-Stufen) sind deutlich zu erkennen.
 

 

Mit dem Josephson-Effekt können Spannungen mit relativen Unsicherheiten von weniger als einem Zehn-Millardstel (1 : 1010, entsprechend 1 nV bei 10 V) reproduziert werden. Der Effekt wird deshalb weltweit seit dem Jahr 1990 als Basis für konstante Referenzspannungen in metrologischen Staatsinstituten und in Kalibrierlaboratorien der Industrie genutzt. Da die Josephson-Konstante seinerzeit nicht mit der dafür notwendigen Genauigkeit bekannt war, wurde für diesen Zweck mit Gültigkeit vom 1. Januar 1990 bis zum 19. Mai 2019 überall der gleiche, vereinbarte Wert benutzt, nämlich: KJ-90= 483 597,9 GHz/V

Seit dem 20. Mai 2019 gilt mit der an diesem Tage in Kraft getretenen Revision des Internationalen Einheitensystems (SI) ein neuer Referenzwert. Er ist bestimmt durch die nun festgelegten Werte für die Planck-Konstante h und für die Elementarladung e:

 

KJ = 2e/h = 483 597,848 416 984 ..... GHz/V

 

Im Reinraumzentrum der PTB werden Schaltungen hergestellt, auf denen bis zu einigen zehntausend dieser Josephson-Elemente zusammengeschaltet sind, sodass 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. Kohlmann, "Quantum Standards for Voltage", in "Applied Superconductivity: Handbook on Devices and Applications", P. Seidel (Ed.), Wiley-VCH, (2015) 807-827.
  • J. Kohlmann, "Programmable Josephson voltage standards: from DC to AC”, in “100 Years of Superconductivity", H. Rogalla und P. Kes (Eds.), Taylor & Francis, (2011) 540-545.
  • J. Kohlmann, R. Behr und T. Funck, "Josephson voltage standards", Meas. Sci. Techn. 14 (2003) 1216-1228.
  • 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.
  • C.A. Hamilton, "Josephson voltage standards", Rev. Sci. Instrum., 71 (2000) 3611-3623.
  • J. Niemeyer, "Das Josephsonspannungsnormal - Entwicklung zum Quantenvoltmeter", PTB-Mitteilungen 110 (2000) 169-177.
  • J. Niemeyer, "Josephson voltage standards", in: Handbook of Applied Superconductivity, B. Seeber (Ed.), Institute of Physics Publishing, Bristol (1998) 1813-1834.

 

 

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