约瑟夫森结是一种电子器件，由两个具有超导现象的区域通过弱连接耦合而成。弱连接可以是薄绝缘势垒、导电区域或狭窄的收缩部位。它的标志性特征是约瑟夫森效应：即使结两端没有电压，也能有超电流流过；而施加电压则会使超导相位差随时间演化。约瑟夫森结将集体量子行为转化为可测量的电信号，并使其成为可控的电路元件。(nobelprize.org)
物理基础与历史发展
在常规超导体中，电子形成库珀对，超导态则具有包含幅值和相位的集体序参量。将两个超导体耦合起来后，它们之间的相位差便具有了物理意义。在绝缘势垒结中，量子隧穿使库珀对能够相干地穿过阻碍普通经典输运的势垒。由此产生的电流取决于相位差，而不需要施加电压。(nobelprize.org)
布赖恩·约瑟夫森于1962年研究超导隧穿时预言了这一行为。他的预言既包括零电压下的超电流，也包括恒定电压所产生的交变超电流。他因这项理论工作获得了1973年诺贝尔物理学奖的一半奖金；另一半由江崎玲于奈和伊瓦尔·贾埃弗分享，以表彰他们在固体隧穿方面的实验发现。(nobelprize.org)
结构与制备
一种常见结构是超导体—绝缘体—超导体结，简称SIS结。铝—氧化铝—铝结广泛用于量子器件。铌基隧道结通常采用在薄铝层上形成的氧化铝势垒。制备过程涉及薄膜沉积、受控氧化、图形化和电接触制作；势垒必须足够薄且均匀，既能支持隧穿，又不至于形成非预期的金属短路。(nist.gov)
其他弱连接包括超导体—正常导体—超导体结（简称SNS结）以及超导收缩结构。它们的电流—相位关系或电学阻尼不一定与绝缘势垒隧道结相同。材料、几何结构、温度和界面性质共同决定临界电流、电容等实际特性。(doi.org)
对于小尺寸铝结，可以采用阴影蒸发法，通过图形化掩模形成相互交叠的电极。另一种已获验证的工艺则对电极分别进行图形化，并采用垂直入射蒸发，在氧化之前进行原位表面清洁。这些工艺选择会影响制备的重复性以及与更大规模电路的兼容性。(nist.gov)
约瑟夫森关系式
对于电流—相位关系近似为正弦形式的常规结，
其中，为超电流，为临界电流，为规范不变的相位差，为电子电荷量的绝对值。约化普朗克常数为。正弦关系是一种标准近似，并非适用于所有弱连接的普遍描述。(nobelprize.org)
在零电压下，相位可以保持不变，并支持稳定电流。在恒定的非零电压下，相位持续推进，超电流则以如下频率振荡：
其中，为约瑟夫森常数。微波照射可以使这一演化与外部驱动同步，从而在以下电压处产生夏皮罗台阶：
其中为整数。这种频率—电压关系是精密电学计量的基础。(nvlpubs.nist.gov)
电路动力学与开关行为
电阻电容并联结模型通常简称为RCSJ模型，将约瑟夫森结表示为一个理想约瑟夫森元件与电阻、电容并联。在最简单的形式下，偏置电流满足
电阻描述耗散，而电容则为相位动力学引入惯性。将其与电压—相位关系结合，可得到关于相位的非线性微分方程。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
一种有用的力学类比是，将相位视为处于倾斜的周期性“洗衣板”势中的坐标。相位被困在势能极小值处，对应零电压态；持续运动则对应有限的平均电压。根据阻尼的不同，切换电流与返回电流可能存在差异，从而产生滞后。噪声也会影响相位从受困状态中逃逸的过程。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
在低温下，宏观量子隧穿可能主导这一集体电路坐标的逃逸过程。这在概念上不同于建立约瑟夫森耦合的微观库珀对隧穿。对约瑟夫森结电路的实验还揭示了能量量子化，将其电学动力学与量子力学联系起来。(nobelprize.org)
应用
磁测量。 超导量子干涉仪将弱连接与超导环结合起来。干涉使其电学响应取决于外加磁通，响应的周期性与磁通量子有关。这使其能够进行高灵敏度的磁测量。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
电压标准。 约瑟夫森电压标准利用受驱动的约瑟夫森结阵列，将精确控制的频率转换为可计算的电压。与单个结相比，阵列能够提高输出电压。可编程系统和脉冲驱动系统可提供用于校准的参考电压与合成波形。(nvlpubs.nist.gov)
量子信息。 约瑟夫森结提供非线性电感和非谐性，使选定的电路能级跃迁能够用作超导量子比特。相关设计包括Transmon量子比特和Fluxonium量子比特。它们的运行取决于约瑟夫森耦合、充电能和电路电感；噪声与材料损耗则会导致量子退相干。(arxiv.org)
数字电子技术。 在单磁通量子逻辑中，约瑟夫森结的开关过程产生代表信息的短电压脉冲。铌基多层制备工艺将约瑟夫森结、布线和电阻集成到超导数字电路中。扩大这类电路的规模，需要控制结的一致性、制备良率以及低温运行条件。(nist.gov)