ジョセフソンジャンクション

ジョセフソン効果は、2 つの超伝導体が薄い絶縁障壁を介して弱く結合しているときに発生します。電圧を印加しない場合、2 つの超伝導電極の電荷キャリアであるクーパー対は、超電流として障壁を越えます。${\textstyle I_{J}}$^{[ 14 ]}この超伝導電流は次のように表される。

$${\displaystyle I_{J}=I_{0}\sin(\varphi )}$$

どこ${\textstyle I_{0}}$臨界電流であり、${\displaystyle \varphi }$は、2つの超伝導体の波動関数間の位相差です。クーパー対は位相コヒーレントにトンネル効果を起こすため、超伝導電流は位相差のみに依存します。これが、電流-位相関係として知られる最初のジョセフソン方程式です。

電圧が印加されると、位相差は時間とともに変化する。これは、ジョセフソン方程式の第2式、すなわち電圧と位相の関係によって記述される。

$${\displaystyle {\frac {d\varphi (t)}{dt}}={\frac {2e}{\hbar }}V={\frac {2\pi }{\Phi _{0}}}V}$$

2つのジョセフソン方程式を用いることで、実効インダクタンスを導出することができる。

$${\displaystyle V(t)={\frac {\hbar }{2e}}{\frac {d\delta }{dt}}={\frac {\hbar }{2e}}\left({\frac {dI}{d\delta }}\right)^{-1}{\frac {dI}{dt}}}$$

インダクタとの類推により、${\textstyle V(t)=L_{J}{\frac {dI}{dt}}}$したがって、実効インダクタンスは次のようになります。

$${\displaystyle L_{J}={\frac {\hbar }{2e}}\left({\frac {dI}{d\delta }}\right)^{-1}={\frac {\Phi _{0}}{2\pi }}\left({\frac {dI}{d\delta }}\right)^{-1}}$$

次に、最初のジョセフソン方程式を使用します。

$${\displaystyle {\frac {dI}{d\delta }}=I_{0}\cos(\delta )}$$

ジョセフソンインダクタンスは

${\displaystyle L_{J}={\frac {\Phi _{0}}{2\pi I_{0}\cos(\delta )}}}$

ジョセフソン接合は非線形かつ非散逸的である。その有効インダクタンスが超伝導位相差に依存するため、非線形となる。${\displaystyle \delta }$また、電流が臨界値以下である限り抵抗なく動作するため、（理想的には）非散逸的である。${\displaystyle I_{0}}$しかし、電圧がゼロでない場合、追加の損失チャネルによって散逸が発生します。これは、RCSJモデルではシャント抵抗としてモデル化されます。

接合部の位置エネルギーは次のとおりです。

$${\displaystyle U(\varphi )=-E_{J}\cos \varphi }$$

このシステムのハミルトニアンは次のとおりです。

$${\displaystyle H={\frac {Q^{2}}{2C}}-E_{J}\cos \phi }$$

あるいは同等に：

$${\displaystyle H=4E_{C}n^{2}-E_{J}\cos \phi }$$

どこ${\textstyle E_{C}={\frac {e^{2}}{2C}}}$充電エネルギーと${\textstyle n={\frac {Q}{2e}}}$はクーパー対の数です。

ジョセフソン接合のダイナミクスを研究するために、通常のコンダクタンスが一定であると仮定することでモデルを単純化できます。このモデルでは、ジョセフソン接合はジョセフソンインダクタンスと接合の通常の抵抗Rによって特徴付けられます。^{[ 15 ]}

平行平板コンデンサと同様に、ジョセフソン接合の設計は、絶縁体または弱いリンクによって分離された 2 つの電極で構成されているため、何らかの容量を持つ必要があります。 ^{[ 16 ]}また、有限電圧での散逸電流のために、抵抗も存在する可能性があります。したがって、ジョセフソン接合は、通常の抵抗器とコンデンサと並列に接続された理想的な非線形ジョセフソン素子としてモデル化できます。これは、抵抗および容量シャント接合 (RCSJ)モデルとして知られています。^{[ 17 ]}あるいは、容量が小さい極限では、抵抗シャント接合 (RSJ)モデルが使用されます。

どちらのモデルでも、通常の抵抗はバイアス電圧と温度に依存します。${\displaystyle R_{N}=R(V,T)}$[ ^{18 ]温度が低いと回路内の準粒子が}少なくなるため、抵抗はゼロになると考えられている。しかし、宇宙線やその他の現象により、温度だけでは説明できない非平衡準粒子が無視できないほど存在するため、実際にはこれは難しい。^{[ 18 ]}

RCSJモデルの主な方程式は次のとおりです。

$${\displaystyle {\frac {\hbar C}{2e}}\,{\frac {\partial ^{2}\varphi }{\partial t^{2}}}\;+\;{\frac {\hbar }{2eR}}\,{\frac {\partial \varphi }{\partial t}}\;+\;I_{c0}\sin(\varphi )\;=\;I}$$

この微分方程式は、バイアス電流が流れたときのジョセフソン接合のダイナミクスを記述する。${\displaystyle I}$適用される。^{[ 19 ]}

RCSJモデル方程式を無次元座標で書き直すと次のようになる。

$${\displaystyle {\frac {\partial ^{2}\varphi }{\partial \tau ^{2}}}+{\frac {1}{Q}}\,{\frac {\partial \varphi }{\partial \tau }}+\sin(\varphi )={\frac {I}{I_{c0}}}\,.}$$

ここで、無次元時間変数${\displaystyle \tau =\omega _{p}t}$、 と

${\displaystyle \omega _{p}={\sqrt {\frac {2eI_{0}}{\hbar C}}}\,.}$

これはジョセフソン接合のプラズマ周波数​​として知られています。これは、傾斜のないウォッシュボード電位におけるジョセフソン接合の振動周波数を表します。

ジョセフソン接合に電流を流すと、RCSJモデルを用いてその挙動を記述することができる。電流バイアスされたジョセフソン接合は、有効な傾斜した洗濯板状のポテンシャルエネルギーを示す。^{[ 20 ]} 裸のジョセフソン接合は傾斜のない周期的な井戸に似ているが、電流バイアス回路では有効なポテンシャルエネルギーに余分な項が現れる。

$${\displaystyle U(\varphi )=-E_{J}\cos \varphi -{\frac {\hbar }{2e}}I\varphi }$$

どこ${\displaystyle I}$はバイアス電流です。

これは、次のように表される一般的な傾斜型洗濯板ポテンシャルの形をとる。

$${\displaystyle U(x)=-Ax-B\cos(x)}$$

これらのグラフは傾斜したコサイン関数であり、傾斜の度合いは定数Aによって決まります。ジョセフソン接合は減衰非線形振動子のように動作します。

回路量子化では、磁束と電荷は一般化座標として扱われます。量子化ステップは${\displaystyle \phi }$（無次元位相）および${\displaystyle n}$（クーパー対数）を交換関係を満たす演算子に割り当てます。これにより、回路量子電磁力学で使用されるジョセフソン接合の量子ハミルトニアンが得られます。

$${\displaystyle {\hat {H}}=4E_{C}{\hat {n}}^{2}-E_{J}\cos {\hat {\phi }}}$$

これは、回路量子電磁力学や超伝導量子ビットで使用される基本的な非線形要素を形成する。^{[ 21 ]}

超伝導体-絶縁体-超伝導体（SIS）トンネル接合（超伝導トンネル接合とも呼ばれる）は、薄い絶縁バリア（I）によって隔てられた2つの超伝導電極（S）から構成されます。バリアが例えば酸化アルミニウム（Al₂O₃）などの絶縁性酸化物でできている場合_、その厚さは約1ナノメートルになります。より厚い酸化物バリアは量子トンネル効果を阻害します。バリアがアモルファスシリコンなどの他の、完全性の低い絶縁体でできている場合、その厚さは数ナノメートルになることがあります。SIS構造はジョセフソン接合として広く用いられていますが、超伝導電流（ゼロ電圧電流）が不要な場合には、その非線形な電流-電圧特性を利用するために用いられることもあります。これらは、 SQUID、ジョセフソン電圧標準（どちらの場合も、アプリケーションはアナログタイプです）、超伝導デジタル回路（例えば、A/DおよびD/Aコンバータ、または超伝導プロセッサ（これらの場合、アプリケーションはデジタルであり、トンネル接合は論理1および0の状態の生成を助けます））で使用されるほか、量子コンピューティングでも使用され、そこでは超伝導量子ビットの形成に役立ちます。

ほとんどの用途において、2つの電極（SISの略称では「S」と表記）は、周期表の元素の中で最も高い超伝導転移温度を持つニオブ（Nb）でできています。清浄なニオブは9.2 K以下で超伝導状態になるため、常圧で沸点が4.2 Kの液体ヘリウム中で、SIS Nbベースの接合を含む超伝導回路を動作させることができます。量子コンピューティング（キュービット）のように、動作温度をはるかに低くする必要がある場合は、「S」層をアルミニウム（Al）で作ることができます。アルミニウムの超伝導状態への転移温度は1.2 Kです。また、高品質の耐火性（Nbベース）トンネル接合を作成するために、ニオブベース電極上に薄い層としてアルミニウムを堆積させることもあります（下記の「製造」の項を参照）。アルミニウムを使用する理由は、非常に安定していて均一な、ピンホールのない酸化膜を形成するためであり、これは信頼性の高いトンネルバリアの作成に理想的である。イヴァル・ギアエヴァーが最初に作製したトンネル接合がアルミニウム製であったのは偶然ではない。アルミニウム酸化膜の厚さは、空気中または蒸着装置内の酸素分圧下で酸化時間を調整することで容易に制御できる（後述の「製造」の項を参照）。

障壁は絶縁体ではなく、薄い常伝導金属である。常伝導金属は超伝導体ではない場合もあれば、臨界温度が低い超伝導体である場合もある。SISジョセフソン接合では電流-位相関係はほぼ完全な正弦波に近いが、SNS接合では電流-位相関係はランプ状の依存性を示す。^{[ 22 ]}

SNS設計は、従来のSIS設計よりも高い臨界電流と低いインピーダンスを持ちます。SNS接合の実装には、SNSサンドイッチ、可変厚ブリッジ、ランプ接合などがあります。^{[ 23 ]}これらは、非ヒステリシス電流-電圧依存性を持つため、磁束量子に基づいてデジタル情報を符号化する高速単一磁束量子論理回路で使用されます。^{[ 24 ]}

障壁は、超伝導材料のマイクロブリッジなどの狭窄部または弱点です。^{[ 25 ]}これらの接合は、SIS接合よりも大きな臨界電流を流すことができます。ScS接合は、デバイスに絶縁体や非超伝導金属を導入するよりも、全超伝導接合の方が望ましい場合に使用されることがあります。^{[ 26 ]} ScS接合は、約500～1000GHzのサブミリ波周波数範囲を持ちます 。^{[ 27 ]}

非平衡電子（この文脈では準粒子と呼ばれることが多い）が無視できないほど存在するため、ScS接合の動的挙動は従来の抵抗モデルよりもはるかに複雑である。^{[ 28 ]}

従来のジョセフソン接合では、基底状態の位相はゼロです。しかし、φジョセフソン接合では、基底状態においてゼロでないジョセフソン位相を持ちます。この場合、最初のジョセフソン方程式（電流-位相関係）は次のように修正されます。${\textstyle I=I_{0}\cos(\delta )}$に：

$${\displaystyle I=I_{0}\cos(\delta +\phi )}$$

ファイ接合は、オルタマグネットを使用するなど、対称性を破ることによって物理的に実現できる。^{[ 29 ]}

長尺ジョセフソン接合とは、少なくとも1つのパラメータがジョセフソン浸透深さを超えるジョセフソン接合のことである。$\displaystyle \lambda _{J}}$ジョセフソン接合の浸透深さは、外部磁場がジョセフソン接合にどれだけ深く浸透するかを表し、次式で表されます。

$${\displaystyle \lambda _{J}={\sqrt {\frac {\Phi _{0}}{2\pi \mu _{0}j_{c}\left(L+2\lambda _{L}\right)}}}}$$

ここで、L は接合部の長さです。侵入深さを超える寸法のジョセフソン接合では、超伝導相は空間的に変化し、サイン・ゴルドン方程式で記述されます。^{[ 33 ]}これらの長いジョセフソン接合は、フラクソンとして知られる伝搬する磁束量子をサポートできます。^{[ 33 ] [ 34 ]}これらは、ジョセフソン伝送線路または磁束流発振器として使用できます。^{[ 34 ]}

^{1960年代初頭から1970年代にかけて、この分野が黎明期にあった頃は、単一の大型（ mm²}オーダー）ジョセフソン接合は、交換可能な一連の機械式マスクを通して超伝導電極（通常は鉛および鉛合金の薄膜）を蒸着することによって作製されていた。この技術はシャドウ蒸着と呼ばれ、現在では主に歴史的な関心事となっている。トンネル障壁は、ベース電極を空気中で酸化することによって形成された。

その後、より小さな接合部（通常は面積が数十平方ミクロン）の製造は、一連のフォトリソグラフィマスクを通して超伝導電極と相互接続を蒸着することによって行われた。シリコン技術から借用されたこれらの方法は、かなり複雑なジョセフソンデバイスと回路を製造できたが、有機フォトレジストの使用により、使用できる材料と実行できる処理が制限された。1970年代後半から1980年代初頭のピーク時には、フォトリソグラフィとさまざまな層の堆積を組み合わせることで、IBMの実験的なジョセフソン信号プロセッサ（JSP）用のジョセフソン接合回路が製造され、これは非常に高度なものであった。^{[ 35 ]} 1980年代初頭のIBMプロセス（当時最先端であった）では、ベース電極はニオブで作られ、このニオブ層は特殊なRF酸化チャンバーで酸化されてNb酸化物トンネルバリアを形成した（単純な空気酸化ではニオブは機能しなかった）。次に、ベース電極に追加のリソグラフィを施し、真空蒸着法により鉛合金対向電極と超伝導配線を形成した。しかし、結果は満足のいくものではなかった。接合特性の品質は比較的低く、ニオブ酸化物の誘電率が高く、デジタル用途には不向きであった。さらに、このようにして製造されたチップは、熱サイクル中に許容できないほどの故障率を示した。

1981 年に H. Kroger と同僚によって Sperry Research で開発された方法^{[ 36 ]}では、超伝導サンドイッチ構造 (将来のジョセフソン接合) の堆積とパターニング (目的​​の超伝導回路の作成) がきれいに分離されました。この分離により、数え切れないほどの利点が得られ、以下に説明します。まず、基板全体 (通常はシリコンウェハ) に連続トンネル構造がコーティングされます。これは、2 つの超伝導電極の間に薄いトンネル障壁が挟まれた三層構造です。これは通常、真空チャンバー内でその場で行われ、良好な制御とほぼ絶対的な清浄度が可能になります。次に、このサンドイッチ構造のパターニングは、堆積チャンバーの外で行われ、最先端のフォトリソグラフィーからさまざまな反応性イオンエッチングおよびイオンミリング技術、必要に応じて追加の層堆積まで、あらゆるパターニング技術を使用できます。これらの技術はすべて、当初は強力なシリコン技術のツールボックスの一部として開発されました。このように、ハリー・クローガーとその同僚によって最初に提案された全ウェハプロセスを用いることで、超伝導デバイスの製造は現代の集積回路技術の領域へと移行した。

しかしながら、Krogerらが用いた接合構造には、実質的に全ウェハプロセスの利点を相殺する深刻な欠点があった。トンネル障壁はアモルファスシリコン（a-Si）で形成されていた。気まぐれなa-Siから適切なトンネル障壁を形成することが困難であったため、結果として得られるNb-(a-Si)-Nb接合は製造が困難であった。さらに、a-Si障壁層と上部ニオブ電極との間に有害な相互作用が生じた。その結果、得られるジョセフソン接合の電流-電圧特性の品質は劣悪であった。

しかし、これらの残された問題に対する解決策はすぐに見つかりました。Krogerらの論文発表後まもなく、AT&Tベル研究所のGurvitchらは、ウェハー全体の処理方法を大幅に改良しました。彼らはウェハー全体のアイデアと、ベル研究所でほぼ同時期に行われた重要な発見、すなわちベース（下部）ニオブ電極上に薄いアルミニウムオーバーレイを設けることで得られる利点の発見を組み合わせたのです。

1981 年初頭、JM Rowell、M. Gurvitch、および J. Geerk (後者はドイツのカールスルーエ国立研究所からベル研究所にサバティカルで訪問中) は、ベースとなるニオブ層を薄いアルミニウム層で覆うと接合特性の品質が劇的に向上することを発見した。^{[ 37 ] [ 38 ]}彼らの最初の接合は、Nb/Al 酸化物/Ag 型 (この構造はトンネル接合の基礎研究で使用され、2 番目の電極は通常の金属でなければならない) と Nb/Al 酸化物/PbBi (鉛と少量のビスマスの合金) であった。これらの接合は、ベースとなる Nb/Al 電極 (厚さ約 1500  nm の Nb 層をその場で薄い (1 ～ 10  nm) の Al 層で覆う) をスパッタリングすることによって作製された。この構造はスパッタリングシステムから取り出され、室内空気中で数分間酸化された。この空気への暴露によりトンネル障壁が形成され、詳しく調べたところ、オーバーレイヤーの厚さが極めて薄いサンプル（アルミニウムの単分子層が数層）であっても、完全に酸化アルミニウムで構成されていることが判明した。次に、酸化されたベース電極を別の蒸着チャンバー（熱蒸着装置）に移し、機械式シャドウマスクを使用してマスクし、AgまたはPbBi対向電極で覆った。このプロセス全体は明らかに非工業的であり、 アルミニウムオーバーレイヤーの特性を理解し、このような接合における通常のトンネル効果とジョセフソントンネル効果の基本的な物理的側面を調べるために研究された、広い面積（一辺約1 mm）の半軟質（軟質金属対向電極）接合が形成された。薄いアルミニウムオーバーレイヤーによって、軟質対向電極で覆われていてもベースNb電極を汚染していた天然酸化ニオブで研究者が経験したすべての問題が解消されることが明らかになった。頑固なことで知られるニオブへのクリーンなトンネル効果に対する科学的関心は満たされた。しかし、こうした科学的探求に加えて、Nb/Al酸化物-PbBiトンネル接合の驚異的なほぼ理想的な品質が注目され、この卓越した品質は、柔らかく非技術的なPbBi対向電極を第2のニオブ電極に置き換えることで、全耐火性ジョセフソン・トンネル接合を作り出すことの望ましさを示唆していた。

このAlオーバーレイヤーの画期的な発見から間もなく、M. GurvitchはMA WashingtonおよびHA Hugginsと共同で、Nb層とAl層の堆積から始まり、スパッタリングシステム内でのその場制御酸化によってNb/Al酸化物ベース構造を形成し、さらにその場で2層目のNb電極で覆うという、全ウェハプロセスを開発した。こうして得られた連続的なNb/Al酸化物/Nb三層構造で覆われたウェハは、選択的陽極酸化と反応性イオンエッチングを用いて個々のジョセフソントンネル接合を形成するために加工された。^{[ 39 ]}結果はすべての予想を上回りました。得られた接合部はほぼ理想的な BCS (Bardeen-Cooper-Schrieffer) 特性を持ち、均一で再現性があり、ヘリウムの沸点である 4.2 K と室温の間の熱サイクルに対して完全に耐性があり、^{[ 40 ]}トンネル障壁は Al ₂ O ₃の低い誘電率を持ち、ニオブ酸化物の約 4 分の 1 であり、これは想定される超伝導デジタル回路のアプリケーションで非常に重要でした。^{[ 41 ]}

1983年の秋までに、パズルのすべてのピースが揃いました。クローガーらによる全ウェハーのアイデアがNb/Al酸化物/Nb構造（しばしば三層構造と呼ばれる）に実装され、個々の接合部を区別し、これらの接合部を含む超伝導回路を構築できる技術的に健全なプロセス方法が開発されました。酸化アルミニウムの存在は、接合部の品質を劇的に向上させるだけでなく、接合部の準備中に重要な技術的利点をもたらすことが判明しました。^{[ 39 ]}

1983年以降、Nb/Al酸化物/Nbジョセフソン接合は、世界中の超伝導エレクトロニクスの主力となった。この画期的な成果にもかかわらず、IBMは1983年9月にジョセフソン信号プロセッサ計画を既に中止することを決定していたが、ベル研究所で開発された手法は世界中の多くの研究所や企業に採用され、特に日本の超伝導研究への政府資金獲得において決定的な役割を果たした。日本の研究は、1982年から1992年まで続いた野心的な第5世代コンピュータシステム（FGCS）計画の一環として行われた。実際、IBMとベル研究所が中断した研究を引き継いだ日本の研究者たちは、数年後にはNb/Al酸化物/Nb接合に基づく小型ながら実用的な超伝導プロセッサの実証に成功した。^{[ 42 ]}米国では、以前IBMに勤務していたサディグ・ファリスによって、ニューヨーク州エルムズフォードにHYPRES社という新会社が設立された。HYPRESの当初の目的は、新しいNb/Al酸化物/Nb技術を使用して超伝導エレクトロニクスを商業化することであった。

1980年代初頭に確立された原理^{[ 36 ] [ 39 ] [ 43 ]}は時の試練に耐え、この技術は40年以上経った現在でも、SQUIDや電圧標準からジョセフソンデジタル回路、さらには一部の超伝導量子ビットに至るまで、あらゆる超伝導回路やデバイスの製造に使用されています。^{[ 44 ]}

近年、超伝導デジタル回路の製造プロセスは高度に発展しました。このプロセスの高度化により、超伝導デジタル回路はVLSI集積回路（IC）技術の主流に入りつつあります。^{[ 45 ]}しかし、これらの複雑な多層回路におけるジョセフソン接合は、M. Gurvitch、MA Washington、HA Hugginsによって開発されたベル研究所の元のプロセスと本質的に同じ方法で形成されています。^{[ 39 ]}

通常、電子ビームまたは集束イオンビームを用いた高解像度リソグラフィーによって、デバイス上にパターンがエッチングされます。ドライエッチングまたはウェットエッチングが使用できます。ドライエッチングプロセスでは物理的なエッチング剤または反応性ガスを使用し、ウェットエッチングプロセスでは基板を液体エッチング剤に浸します。^{[ 5 ]}

ジョセフソン接合を用いた超伝導量子ビットは、超伝導体は本質的に非常に低い散逸性を持つため、長いコヒーレンス時間が可能となり、量子プロセッサの有力な候補となっている。 ^{[ 46 ]}こうした種類の量子ビットは、 Google、IBM、Rigettiなどが量子プロセッサの設計に使用している。

超伝導量子ビットは、本質的にはジョセフソンインダクタンスとその接合容量から形成される非線形共振器であり、非線形LC回路のように動作します。^{[ 46 ]}この発振器は非線形であるため、非調和であり、回路の最初の2つのエネルギーレベルを他のレベルとは独立してアドレス指定できます。これは、システムが原理的には多くのエネルギーレベルを持つが、量子ビットの動作空間には2つの最低状態しか含まれないため必要です。 ^{[ 46 ]}実際、エネルギー量子化を検出するためには、回路に非線形要素を含める必要があります。^{[ 5 ]}

超伝導量子ビットのアーキテクチャはほぼ全てジョセフソン接合を使用している（トポロジカル量子ビットは例外）。標準的な実装はジョセフソントンネル接合だが、他のアーキテクチャでは狭窄接合が用いられる。

SQUID（超伝導量子干渉素子）は、ループ状に配置された2つのジョセフソン接合から構成され、そのループを磁束が貫通しています。印加された磁束によって接合間の位相が変化するため、SQUIDは実質的に単一の磁束可変ジョセフソン接合として機能します。したがって、SQUIDの臨界電流、ひいてはその実効インダクタンスは、外部磁束によって調整可能です。

ジョセフソン接合には臨界電流があるため、バイナリ論理回路に構成できます。接合を流れる電流が臨界電流より小さいときは電圧はゼロですが、臨界電流を超えると電圧は時間とともに振動します。^{[ 2 ]}このように、ジョセフソン接合のゼロ電圧状態と有限電圧状態間のスイッチングは、論理回路で使用できます。論理回路での応用例としては、ジョセフソン接合によって生成される単一磁束量子電圧パルスによって転送される磁束量子の形で情報を記憶する高速単一磁束量子技術があります。

ジョセフソン接合を用いた論理デバイスは、約10ピコ秒という超高速スイッチング速度と、約1μWという低消費電力を実現している 。^{[ 47 ]}これは、 CMOSエレクトロニクスのスケーリング限界を克服できる可能性があるため、活発な研究分野となっている。しかし、その集積度はCMOS回路に比べて依然としてかなり低い。^{[ 48 ]}

10,000 個または 100,000 個以上の接合を含む高度に集積されたジョセフソン接合アレイは、電圧標準として使用できます。^{[ 50 ]}この電圧標準は 10万分の1 以上の精度を達成しており、プランク定数h と素電荷eという 2 つの基本的な物理定数を知るだけでボルトを基準にすることができます。 ^{[ 50 ]}使用される接合は、通常 SIS または SNS です。^{[ 51 ]} SIS 接合の場合、必ず Nb/Al 酸化物-Nb トンネル接合を使用した三層プロセスで作成されます (上記の「製造」セクションを参照)。

ジョン・クラーク、ミシェル・H・デヴォレ、ジョン・M・マルティニスは、ジョセフソン接合を含む幅1センチメートルの超伝導回路を用いて巨視的な量子現象を実証した。この装置では、回路内の数十億個の超伝導電子が、単一の量子位相で記述される集合的な巨視的システムを形成した。^{[ 52 ]}接合部におけるトンネル効果の証拠を示すことで、彼らは巨視的な物体における量子トンネル効果を実証することができた。これが2025年のノーベル物理学賞の主題となった。

ジョセフソン接合は、ジョセフソンパラメトリック増幅器（JPA）や進行波パラメトリック増幅器（TWPA）などの超低ノイズ増幅器に使用されます。これは、ジョセフソン接合がほとんど損失を伴わないためです。半導体などの他の非線形素子は、 HEMTのような低ノイズ増幅器であっても損失に寄与します。しかし、ジョセフソン接合を使用するとノイズが付加されないため、ジョセフソン接合を使用した超伝導増幅器は量子ノイズ限界に近い動作が可能です。このため、アクシオン検出^{[ 53 ]}や固体量子ビットの読み出し^{[ 54 ]など、極めて低いノイズを必要とする実験に役立ちます。}