Quand deux supraconducteurs sont séparés par une très fine couche d’isolant électrique, il apparaît de façon tout à fait inattendue un courant électrique continu, dont la valeur est liée aux caractéristiques des supraconducteurs. Cet effet a été prédit en 1962 par Brian Josephson. Depuis, ce sandwich supra-isolant-supra est appelé « jonction Josephson ». D’où vient un tel effet ?
Quand un matériau devient supraconducteur, les électrons s’apparient en paires de Cooper et se condensent sous la forme d’une unique onde quantique collective. Si l’isolant électrique séparant les deux supraconducteurs est très fin, de l’ordre de quelques nanomètres, alors l’onde peut en quelque sorte déborder du supraconducteur, ce qui permet aux paires d’électron de passer à travers l’isolant, par un effet quantique appelé effet tunnel. En passant ainsi spontanément d’un supraconducteur à l’autre, les paires créent un courant électrique. Chaque supraconducteur est caractérisé par une quantité appelée phase, à la signification subtile. Le courant électrique dans la jonction est un courant continu dont la valeur est proportionnelle au sinus de la différence de phase entre les deux supraconducteurs.
Si maintenant, on applique une différence de tension électrique constante entre les deux supraconducteurs, alors un courant électrique cette fois alternatif apparaît en réaction aux variations de phases. Cet effet, qui relie une tension continue à un courant alternatif est inhabituel. D’autant que la fréquence des courants alternatifs ne dépend absolument pas de la taille des supraconducteurs, ni de leurs propriétés (température critique, composition chimique). Cette fréquence dépend exclusivement de la tension appliquée et de constantes fondamentales (la charge électrique de l’électron et le quantum d’énergie de Planck). Or une fréquence peut se mesurer très précisément, à l’aide d’horloges atomiques, mais jusqu’à la découverte de cet effet on ne savait pas mesurer très précisément une tension. L’effet josephson permet ainsi de définir une valeur référence de la tension qui sert ensuite à calibrer les appareils de mesures, et de s’assurer que 1 volt a la même valeur en France et au Japon.
Les effets josephson sont très sensibles à la valeur du champ magnétique, car la variation de la phase d’un supraconducteur peut être reliée à un flux magnétique. Il est alors possible d’utiliser cette sensibilité au champ magnétique pour construire des systèmes extrêmement précis de mesure de champ magnétique, appelés SQUID : ces systèmes sont le moyen le plus précis pour mesurer un champ magnétique.
Ce circuit, qui contient 3020 jonctions Josephson, permet de générer une tension référence de 1 volt très précisément, et peut servir pour calibrer des appareils de mesure
