B・D・ジョゼフソン
【量子力学的効果をデバイスで具現化】

超電導技術の最前線
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【1940年1月4日生まれ 〜 （ご存命中）】

　ジョセフソン接合を生み出したジョセフソン

その名を書き下すと”Brian David Josephson”。

今回、存命中の方を紹介しています。

ジョセフソン博士は今もイギリスでご存命の研究者で
ジョセフソン接合等の発案で広く知られています。
ジョセフソン接合は物理学を理解
し始めた人が量子的な効果を確認出来るデバイスです。
彼は私が大学院時代に興味を持った凝縮系の大家です。

ジョセフソン接合等の考えは様々な知見に繋がっています。
もう少し細かく記述すると、そのジョセフソン接合とは
超伝導体の間に常伝導体を挟み、電子の
波動的性質を顕在化させる仕組みです。

ジョセフソン接合の原理と応用

仕組みの詳細：波動性とトンネル効果から位相差へ

1. ジョセフソン接合とは何か
超伝導体同士の間に常伝導体あるいは絶縁体を薄く挟んだ構造――典型的には S‐I‐S（Superconductor‐Insulator‐Superconductor）や S‐N‐S（Superconductor‐Normal metal‐Superconductor）タイプ――で、超伝導状態にある電子ペア（クーパー対：Cooper pairs）が障壁を“透過”（トンネル）または近接効果によって“波動的に広がる”ことを可能にしたものです。絶縁体や常伝導体の厚さが非常に小さく、波動関数の減衰がそれほど大きくない領域を通じて、超伝導体側の波動関数が互いに重なり合うことが重要です。 サイエンスダイレクト+2WMI Bad Wimpfen+2

2. 波動性と位相の関わり

• 超伝導状態は、多数の電子対（クーパー対）が凝縮したマクロな量子状態で、「波動関数の位相（phase）」が定義される。異なる超伝導体間では、それぞれの波動関数に位相 φ₁, φ₂ があり、その差 Δφ = φ₂ − φ₁ が物理的に意味を持つ。
  参考：UBC物理学と天文学+2サイエンスダイレクト+2

• 電流（超電流 supercurrent）はこの位相差に依存し、ジョセフソン接合における「第一ジョセフソン方程式」は次のように表せる：

  I=Icsin⁡(Δφ)I = I_c \sin(Δφ)I=Ic​sin(Δφ)

  ここで I_c は臨界電流（この接合が超電導状態を保てる最大の電流）。位相差が大きくなると sin 式により電流が変化、位相差＝0 や π のときに電流の方向・符号が変わる可能性もある。
  参考：サイエンスダイレクト+3arXiv+3ウィキペディア+3

• 第二ジョセフソン方程式：接合に電圧 V をかけると位相差 Δφ が時間とともに変化し、変化率 d(Δφ)/dt ∝ V となる。これにより、電圧が交流を加えると時間依存位相差が生じ、交流超電流成分が出る。 arXiv+2WMI Bad Wimpfen+2

3. トンネル効果と近接効果

• 絶縁体壁（I）の場合、クーパー対が量子トンネルにより絶縁体を透過する。この場合、トンネル確率が壁の厚さや材質・バリア高さに指数関数的に依存する。

• 常伝導体や弱超伝導体を間に挟む場合は、近接効果（proximity effect）によって、常伝導体側にも超伝導のペア相関が“浸透”し、超伝導体‐常伝導体‐超伝導体（SNS型）接合が可能となる。これにより、トンネルタイプとは異なる振る舞い（クリティカル電流の温度依存性、電流‐位相関係の歪みなど）が現れる。
  参考：サイエンスダイレクト+2Nature+2

4. 位相差‐電磁環境の関係性

• 接合を含む回路に磁場が通ると、磁束（flux）によって超伝導ループ内の波動関数の位相が変化する。これは磁束量子（flux quantum, Φ₀ = h/2e）と密接に関係。 SQUID（Superconducting Quantum Interference Device）などでこれが応用される。 WMI Bad Wimpfen+1

• 接合の「電流‐位相関係（current‐phase relation）」が理想的には単純な sin 関数であるが、材料の不均一性、フェルミ面構造、障壁の性質などで高次の項や非正弦成分が入ることがあり、それがデバイスの動特性（遅延、非線形性、ノイズ）に影響する。 arXiv+2Physical Review Links+2

ジョセフソン接合を使った典型的応用例

以下、いくつかの代表的なデバイス・応用を具体例を挙げながら紹介します。

補足：波動的視点からの直感とアナロジー

• ジョセフソン接合は、「マクロな量子波」が二つの超伝導体間で結合し合う“弱リンク”（weak link）として振る舞う。障壁を越えてクーパー対の波動関数が重なり合うことは、量子重ね合わせ・コヒーレンスの概念に非常に近い。

• 位相差が「波の干渉」に相当する。例えばループ構造を考えると、磁束＝波の位相をずらす「透過媒質」を挟んだ干渉計のような働きをする。SQUID の出力の周期性（磁束量子 Φ₀ ごとの変動）は、光の干渉格子や二重スリット干渉のアナロジーとして理解できる。

• また、位相比較（phase coherence）の崩壊、量子ゆらぎ（phase fluctuations）などが接合の性能を制限する。これらは量子デコヒーレンスの問題にも繋がる。

また、ジョセフソンは常温核融合に対して研究を進めています。更には科学の枠組みを超えて探求を続けています。そのジョセフソンが関心を持つ側面にはシュレディンガー、ニールス・ボーア、パウリなども関心を持ったと言われますが「物理」「生命」「化学」の境界領域で意識に対しての考察に挑んでいるのです。

　ジョセフソンの信条

ジョセフソン曰く、（彼は王立協会創立のモットー nullius in verba（一切の権威を認めない）を信条としており、）「科学者が全体としてある考え方を否定したとしても、その考え方が不合理だという証拠にはならない。むしろ、そのような主張の基盤を慎重に調査し、どれほどの精査に耐えるかを判断すべきだ」【出典・Wikipedia】

個人的にはジョセフソンの方向性を支持します。不可解な現実を
不可解な現象を「オカルトネタ」で終わらせる積りはないです。
今不可解だと考えられている現象には因果関係がある半面で
人間の知見も完全ではないと認めれば、それらに対して
真摯に直面して解明していく事こそ正しい姿だと思います。

〆

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nowkouji226@gmail.com

2020/08/21_初回投稿
2025/10/01_改訂投稿

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Josephson who created the Josephson junction

The name is written down as “Brian David Josephson”.

This time, we are introducing those who are still alive. Dr. Josephson is still a living researcher in England and is widely known for his ideas such as Josephson junction. I am a condensed landlord who was interested in graduate school. The idea of ​​Josephson joining has led to various findings. This Josephson junction is a mechanism in which a normal conductor is sandwiched between superconductors to reveal the wave-like properties of electrons.

Two-sidedness in quantum mechanics

In the first place, in quantum mechanics, electrons have both wave-like and particle-like properties. For example, a device called SQUID designed from the wavelengths there is applied as a device candidate for high-sensitivity magnetic sensors and quantum computers.

Josephson is also conducting research on cold fusion. He and even he continues his quest beyond the framework of science. It is said that Schrödinger, Niels Bohr, Pauli and others were also interested in Josephson’s quest, but he challenged the consideration of consciousness in the boundary area of ​​”physics”, “life” and “chemistry”. I’m out.

Josephson’s creed

According to Josephson, [(he believes in the Royal Society’s founding motto nullius in verba), “even if scientists deny an idea as a whole, that idea is unreasonable. Rather, we should carefully examine the basis of such claims and determine how much scrutiny they can withstand. “・ Source ・ Wikipedia】 I personally support that direction. There is no way to end a mysterious reality with an occult story. If we admit that the phenomena that are considered incomprehensible now have a causal relationship, but human knowledge is not perfect, I think that it is the correct figure to face them seriously and elucidate them.

〆