miniatura|Chip com uma matriz de junções de Josephson desenvolvido pelo Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia como padrão de volt.
O efeito Josephson é um fenômeno que ocorre quando dois supercondutores são colocados próximos um do outro, com uma barreira ou restrição entre eles. O efeito recebeu esse nome em homenagem ao físico britânico Brian Josephson, que previu em 1962 as relações matemáticas entre a corrente e a tensão através do elo fraco. Também publicado como . É um exemplo de fenômeno quântico macroscópico, no qual efeitos da mecânica quântica podem ser observados em escala macroscópica, e não apenas atômica. O efeito Josephson tem aplicações práticas porque estabelece uma relação precisa entre grandezas físicas como tensão e frequência, permitindo medições de alta precisão.
O efeito Josephson produz uma corrente, chamada supercorrente, através de um dispositivo conhecido como junção de Josephson (JJ), mesmo quando a tensão através da junção é nula. A corrente pode assumir valores entre os limites determinados pela corrente crítica da junção, conforme a diferença de fase entre os dois supercondutores. Uma junção de Josephson é formada por dois ou mais supercondutores acoplados por um elo fraco. Esse elo pode ser uma fina barreira isolante, formando uma junção supercondutor-isolante-supercondutor ou S-I-S, uma pequena seção de metal não supercondutor, S-N-S, ou uma constrição física que enfraquece a supercondutividade no ponto de contato. Quando o elo é suficientemente fino ou curto, o acoplamento conserva a coerência de fase entre os estados supercondutores dos dois lados, fazendo com que a supercorrente dependa de sua diferença de fase macroscópica.
Embora tenha sido previsto e observado inicialmente em supercondutores, o conceito também é aplicado a sistemas formados por duas funções de onda macroscópicas fracamente acopladas. Os efeitos Josephson de corrente contínua e alternada foram observados, por exemplo, em uma junção formada por condensados de Bose-Einstein.
As junções de Josephson têm aplicações em circuitos quânticos, entre eles SQUIDs, bits quânticos supercondutores e dispositivos eletrônicos RSFQ. O padrão de um volt do NIST é obtido com uma matriz de 20.208 junções de Josephson ligadas em série.Steven Strogatz, Sync: The Emerging Science of Spontaneous Order, Hyperion, 2003.
História miniatura|direita|Edifício do Laboratório Mond.
O efeito Josephson CC já havia sido observado experimentalmente antes de 1962, mas essas observações tinham sido atribuídas a "supercurtos" ou a falhas na barreira isolante que permitiriam a condução direta de elétrons entre os supercondutores.
Em 1962, Brian Josephson passou a estudar o tunelamento em supercondutores. Tinha então 23 anos e cursava o segundo ano da pós-graduação sob orientação de Brian Pippard no Laboratório Mond, da Universidade de Cambridge. Naquele ano, Josephson frequentou um curso de teoria de muitos corpos ministrado por Philip W. Anderson, pesquisador dos Bell Labs que passava o ano acadêmico de 1961–1962 em licença sabática. O curso apresentou a Josephson a ideia de quebra de simetria em supercondutores, que despertou seu interesse pela possibilidade de observar o fenômeno experimentalmente. Josephson estudou os experimentos de Ivar Giaever e Hans Meissner, além do trabalho teórico de Robert Parmenter. Pippard acreditava inicialmente que o efeito de tunelamento poderia existir, mas seria pequeno demais para ser observado. Josephson discordou, especialmente depois que Anderson lhe mostrou uma pré-publicação de "Superconductive Tunneling", de Marvin L. Cohen, Leopoldo Máximo Falicov e James Charles Phillips, dedicada ao sistema supercondutor-barreira-metal normal.
Josephson e seus colegas inicialmente não tinham certeza da validade dos cálculos. Anderson recordou mais tarde:
Todos nós, Josephson, Pippard e eu, além das demais pessoas que costumavam participar do chá no Mond e das discussões das semanas seguintes, ficamos muito intrigados com o significado do fato de a corrente depender da fase.
Após nova análise, concluíram que os resultados de Josephson eram válidos. Josephson enviou então "Possible new effects in superconductive tunnelling" à revista Physics Letters em junho de 1962. A revista, então recente, foi escolhida em lugar da mais estabelecida Physical Review Letters por causa das dúvidas que ainda cercavam os resultados. John Bardeen, que já havia recebido um Prêmio Nobel, mostrou-se publicamente cético em relação à teoria de Josephson em 1962, mas passou a aceitá-la depois de novos experimentos e esclarecimentos teóricos.
Em janeiro de 1963, Anderson e seu colega dos Bell Labs John Rowell enviaram à Physical Review Letters o primeiro artigo que reivindicava uma observação experimental do efeito, "Probable Observation of the Josephson Superconducting Tunneling Effect". Anderson e seu colega Aly H. Dayem também obtiveram em 1967 uma patente relacionada a um dispositivo supercondutor de dimensão variável.
Antes da previsão de Josephson, sabia-se apenas que elétrons individuais, isto é, não emparelhados, podiam atravessar uma barreira isolante por tunelamento quântico. Josephson foi o primeiro a prever o tunelamento de pares de Cooper supercondutores. Por esse trabalho recebeu o Prêmio Nobel de Física de 1973. Bardeen esteve entre os responsáveis por sua indicação ao prêmio.
O físico britânico John Clarke, que também foi aluno de Pippard, afirmou que seu trabalho recebeu forte inspiração de Brian Josephson. Em 1985, a equipe de Clarke, que incluía Michel Devoret e John M. Martinis, resfriou uma junção de Josephson a temperaturas inferiores a 50 mK e demonstrou seu comportamento quântico macroscópico, descrito por uma única fase. Com pulsos de micro-ondas, a equipe mostrou que, com polarização nula, a energia era quantizada. Essa descoberta foi usada posteriormente no desenvolvimento de bits quânticos supercondutores. Clarke, Devoret e Martinis receberam o Prêmio Nobel de Física de 2025 pela descoberta do tunelamento quântico macroscópico e da quantização de energia em um circuito elétrico.
Aplicações miniatura|Símbolo elétrico de uma junção de Josephson.
Entre os tipos de junção de Josephson estão a junção Josephson φ, da qual a junção Josephson π é um caso particular, a junção de Josephson longa e a junção túnel supercondutora. Outros usos incluem:
Uma "ponte de Dayem" é uma junção de Josephson de filme fino na qual o elo fraco é formado por um fio supercondutor de alguns micrômetros ou menos. A contagem de junções de Josephson é usada como variável proxy da complexidade de um circuito eletrônico supercondutor. SQUIDs, ou dispositivos supercondutores de interferência quântica, são magnetômetros muito sensíveis que funcionam por meio do efeito Josephson. Dispositivos de interferência quântica de hélio superfluido, ou SHeQUIDs, são o equivalente em hélio superfluido de um SQUID de corrente contínua.Y. Sato e R. Packard, "Superfluid helium interferometers", Physics Today, outubro de 2012, p. 31. Na metrologia de precisão, o efeito Josephson permite uma conversão reproduzível entre frequência e tensão elétrica. O padrão de tensão Josephson parte da definição de frequência do padrão de césio e produz uma representação padrão do volt. Transistores de um elétron são frequentemente fabricados com materiais supercondutores e são chamados de "transistores supercondutores de um elétron". A carga elementar pode ser relacionada com grande precisão à constante de Josephson e à constante de von Klitzing, esta última associada ao efeito Hall quântico. A eletrônica digital RSFQ baseia-se em junções de Josephson com derivação resistiva. A comutação de uma junção emite um quantum de fluxo magnético . Sua presença ou ausência representa, respectivamente, os valores binários 1 e 0. A computação quântica supercondutora usa junções de Josephson como elementos indutivos não lineares em qubits, como o transmon e o qubit de fluxo, além de outros esquemas nos quais fase e carga são variáveis canonicamente conjugadas. Detectores de junção túnel supercondutora são usados em câmeras supercondutoras.
Materiais Uma junção de Josephson contém um material de barreira entre dois eletrodos supercondutores. A barreira forma o elo fraco entre os supercondutores. Conforme sua natureza, esse elo pode ser uma camada isolante, um metal normal ou uma constrição estreita, dando origem a junções SIS, SNS ou de constrição. Diferentes materiais vêm sendo empregados nos eletrodos e na barreira para adaptar o desempenho da junção a aplicações específicas.
A seleção dos materiais depende de fatores como perda dielétrica, estabilidade estrutural e química, envelhecimento, temperatura de transição supercondutora, facilidade de fabricação, uniformidade e rugosidade das interfaces e presença de sistemas de dois níveis (TLS). Entre os sistemas estudados, as junções Al|AlOx|Al à base de alumínio são usadas em muitas arquiteturas de qubits supercondutores por sua reprodutibilidade e pelas baixas perdas em micro-ondas.
Materiais dos eletrodos A escolha do material dos eletrodos depende da aplicação, como qubits transmon, SQUIDs ou detectores, e da compatibilidade com o processo de fabricação. Uma propriedade fundamental é a temperatura de transição supercondutora, que determina a lacuna de energia supercondutora e afeta diretamente as características de corrente e tensão da junção. O alumínio é muito utilizado em qubits por ser simples de fabricar e formar uma barreira de óxido nativo de boa qualidade. Nióbio e tântalo também são empregados e possuem temperaturas de transição mais altas, enquanto materiais como o nitreto de nióbio, NbN, podem atingir temperaturas ainda maiores em aplicações especializadas de alta frequência ou detecção.
O alumínio (Al) é um dos materiais de eletrodo mais usados em qubits supercondutores devido à facilidade de fabricação e à compatibilidade com barreiras de túnel de boa qualidade.
O nióbio (Nb) também é amplamente utilizado. O Nb puro tem temperatura de transição supercondutora de aproximadamente 9,3 K. Junções Nb/Al–AlOx/Nb são empregadas em qubits e circuitos integrados supercondutores. O Nb, porém, reage facilmente com o oxigênio atmosférico e forma um óxido nativo capaz de reduzir a temperatura de transição efetiva. Filmes desordenados de Nb apresentam valores de Tc em torno de 5,7 K.
O tântalo (Ta) passou a ser usado como material de eletrodo em circuitos quânticos de baixas perdas. A fase supercondutora α-Ta tem temperatura de transição de aproximadamente 4,4 K e pode ser empregada com Nb em junções de Josephson e ressonadores supercondutores. A fase β-Ta, por sua vez, torna-se supercondutora apenas abaixo de 1 K. A fase cristalina e as propriedades elétricas dos filmes de Ta dependem fortemente das condições de crescimento e do substrato, exigindo controle cuidadoso dos parâmetros de deposição.
O nitreto de nióbio (NbN) é estudado devido à sua alta temperatura de transição supercondutora, que pode chegar a aproximadamente 17 K na fase cúbica δ-NbN. Filmes finos de NbN podem ser produzidos por técnicas como pulverização catódica e epitaxia por feixe molecular, inclusive em espessuras nanométricas. Seu curto comprimento de coerência impõe requisitos rigorosos de qualidade e uniformidade das interfaces em estruturas de junção. O NbN cristaliza principalmente na estrutura cúbica do tipo sal-gema, δ-NbN, e em estruturas hexagonais relacionadas à wurtzita. Suas propriedades supercondutoras dependem fortemente da fase cristalina. A fase cúbica δ-NbN apresenta as maiores temperaturas de transição, em geral entre 11 e 17 K, enquanto as fases hexagonais apresentam valores muito menores, muitas vezes abaixo de 1 K. O controle das condições de crescimento, em especial da temperatura do substrato, permite estabilizar a fase cúbica.
Materiais da barreira