,1. Ефекти Джозефсона
Ефекти Джозефсона - це одні з небагатьох фізичних явищ, в яких квантові властивості речовини проявляються на макроскопічному рівні. Ці ефекти були теоретично обґрунтовані аспірантом Кембриджського університету Брайаном Джозефсоном у 1962 році і потім, через 2 роки, підтверджені експериментально.
Ефекти Джозефсона спостерігаються у джозефсонівських контактах – системі двох надпровідників між якими існує так званий слабкий зв'язок. Це зв’язок, який виникає, коли два надпровідники не торкаються один одного, але хвильові функції куперівських пар (детальніше див. далі) цих надпровідників перекриваються.
Властивості надпровідників зручно розглядати у рамках так званої двохрідинної моделі. Згідно з цією моделлю електрони всередині зразка за температури, вищої за критичну (температура за якої відбувається перехід у надпровідний стан), утворюють «звичайну» електронну рідину, рух якої сприймається як електричний струм. Однак за температур, що нижчі від критичної температури, частина електронів може попарно об’єднуватись у нові квазічастинки, так звані куперівські пари, тобто за температур, нижчих від критичної температури, виникає нова рідина з заряджених квазічастинок – куперівських пар, яка називається бозе-конденсатом.
Електрон, як відомо, є фермі-частинкою; його спін є напівцілим (1/2). Відповідно, «звичайна» електронна рідина підкоряється принципу Паулі – «в одному стані не більше одного електрона». Водночас куперівську пару утворюють електрони з протилежними напрямками спіну, а значить куперівська пара є бозе-частинкою з нульовим спіном. Для таких частинок принцип Паулі не діє і куперівські пари можуть у довільній кількості накопичуватись на певному енергетичному рівні, що відповідає найнижчому за енергією стану системи. Рух куперівських пар призводить до протікання у надпровіднику бездисипативного струму, тобто під час протікання такого струму куперівські пари, які рухаються, енергію не втрачають, тобто для них електричний опір відсутній.
2. Стаціонарний (або перший) ефект Джозефсона
- це ефект протікання крізь джозефсонівський контакт бездисипативного струму (так званого надструму або струму куперівських пар), величина якого обумовлена різницею фаз хвильових функцій бозе-конденсату
в надпровідниках, що утворюють контакт:
,
де Ic – критичний струм (максимально можливий струм куперівських пар).
Оскільки хвильові функції Бозе-конденсату у надпровідниках перекриваються, куперівські пари можуть вільно переходити з одного надпровідника в інший, не втрачаючи при цьому енергії. Надструм виникає тому, що при слабкому зв’язку двох надпровідників енергія системи в цілому зменшується подібно до того, як це відбувається у молекулах за рахунок обмінної взаємодії.
На вольт-амперній характеристиці (ВАХ) джозефсонівського контакту стаціонарному ефекту Джозефсона відповідає вертикальна ділянка за напруги V=0; мінімальне значення струму на цій ділянці (за умови 
) дорівнює нулю, а максимальне – критичному струму Ic.
3. Нестаціонарний (або другий) ефект Джозефсона
- це ефект виникнення у джозефсонівському контакті змінного струму, циклічна частота якого
пропорційна постійній напрузі, прикладеній до джозефсонівського контакту:
.
Якщо до джозефсонівського контакту прикладена постійна напруга V, то фаза хвильової функції бозе-конденсату в одному надпровіднику дорівнює 
, в іншому – 
, за V=0 різниця фаз хвильових функцій дорівнює 
. Очевидно, що за V=0 різниця фаз хвильових функцій є величиною сталою, а отже, хвильові функції конденсату в обох надпровідниках можуть змінюватись лише синхронно, корельовано. Якщо ж 
, то куперівські пари, рухаючись від одного боку контакту до іншого, набувають додаткової енергії 
, відповідно, фаза хвильової функції в тому надпровіднику, куди рухаються куперівські пари, додатково змінюється на величину 
. Отже, хвильові функції по обидва береги джозефсонівського контакту змінюються не синхронно, фази цих хвильових функцій вже відрізняються на величину 
, причому 
є величиною змінною, що вказує на появу в контакті змінного струму.
Очевидно, що прикладення до джозефсонівського контакту постійної напруги V>0 призводить до зміни різниці фаз хвильових функцій по обидва боки від контакту, а значить і до зміни надструму. Цей ефект часто використовується на практиці для керування струмом куперівських пар. У джозефсонівському контакті при цьому відбуваються такі процеси. Під дією постійної напруги V різниця фаз хвильових функцій починає змінюватись, відповідно, змінюється і надструм. Оскільки напруга , а струм крізь контакт також не дорівнює нулю, тоді окрім куперівських пар крізь контакт почали рухатись і нормальні носії – електрони. Рух таких носіїв порівняно з рухом куперівських пар енергетично невигідний, тому система намагається зменшити свою енергію за рахунок заміни електронного струму надструмом, який є бездисипативним. Завдяки зміні різниці фаз хвильових функцій по обидва боки від контакту надструм постійно змінюється, але загальний струм через контакт не змінюється (бо цей струм задається зовнішнім джерелом). Коли величина надструму зросте на V / R, де R – опір джозефсонівського контакту у нормальному (не надпровідному) стані, тоді надструм повністю компенсує постійний струм нормальних носіїв. У цей момент електрони вже не будуть рухатись крізь джозефсонівський контакт (це енергетично невигідно), а напруга на контакті дорівнюватиме нулю. Цей процес може відбуватись багаторазово до тих пір поки напруга на контакті не сягне критичного значення Vc = Ic R. При V>Vc струм, що протікає крізь контакт I=V/R буде більший за критичний струм джозефсонівського контакту Ic, відповідно цей струм не може бути утворений тільки куперівськими парами, у його формуванні вже беруть участь і нормальні носії. Цьому випадку відповідає резистивна ділянка ВАХ при V>Vc. Вона починається в точці (Vc; Ic) і зі зростанням напруги V асимптотично наближається до прямої I=V/R.
4. Сходинки Шапіро
Якщо до джозефсонівського контакту прикласти змінний надвисокочастотний (НВЧ) сигнал на ВАХ контакту виникають сходинки Шапіро. Ці сходинки виникають при напругах, що відповідають гармонікам частоти НВЧ сигналу. Величина цих сходинок відповідає потужності відповідної спектральної складової сигналу. Чим більша ця потужність – тим більша «амплітуда» сходинки.
Ефекти Джозефсона широко використовуються в метрології, для вимірювання слабких сигналів та для створення надшвидкодіючих пристроїв обробки інформації.