正是因为认识到超导属于电子体系的宏观量子态，物理学家才得以从微观上揭示超导的物理本质——材料中近自由运动的电子两两配对并集体凝聚到低能组态（详见本系列后续篇）。物理上描述微观粒子集体行为有一个非常简单的量——位相，相当于每个粒子运动的“步调”。由于超导电子是集体凝聚行为，同一个超导体内电子将步调一致，即共享一个位相。也就是说，所有的超导电子可以看做一个和谐的整体，它们按照共同的旋律来运动。

　　一个有趣的问题随之产生：如果让两个不同超导体中的电子相遇，会发生什么事情？显然，超导体 A 中的电子有 A 型位相，超导体 B 中的电子有 B 型位相，相遇后谁跟着谁的步调呢？就像两支训练有素的正规军相遇，一言不合，群殴大战就爆发。何解？

　　1962 年，剑桥大学一名22 岁的二年级研究生仔细思考了这个问题，并从理论上给出了自己的答案。两个中间隔着薄薄一层绝缘体的超导体，在不加外界电压情况下，就会因为相位差异而形成“超导隧道电流”，超导电子可以量子隧穿到另一个超导体中；在加上外界电压之后，则会形成高频交流电流，其频率是量子化的。这种奇异的量子效应称之为“超导隧道效应”，后以发现人名字命名为“约瑟夫森效应”。据说，当年刚刚跨入研究门槛的布莱恩·约瑟夫森苦于寻找研究课题，偶然机会拜访凝聚态物理大牛菲利普·安德森后，向其请教可能的课题，安德森便建议理论研究超导隧道效应。约瑟夫森用简单的数学方法很快就得到了上述结果，但预言的现象实在太奇特，即使论文发表后他自己都还忐忑不安。幸运的是，实验技术走在了理论前面，1958 年，江崎玲于奈实现了半导体材料的隧道二极管，1960 年贾埃沃就已在铝/氧化铝/铅复合薄膜中观测到了超导隧道电流。约瑟夫森理论出来三个月后，安德森的研究组就成功在锡/氧化锡/锡薄膜中全面验证了他的理论。因为半导体和超导体中量子隧道效应的成功实验和理论，江崎玲于奈、贾埃沃、约瑟夫森分享了1973 年的诺贝尔物理学奖，其中约瑟夫森时年33岁（图5）。遗憾的是，直到如今，约瑟夫森的下半生精力都贡献给了包括特异功能在内的超自然力研究，逐渐走向边缘化了。

　　图5，1973 年诺贝尔物理学奖获得者：约瑟夫森、贾埃沃、江崎玲于奈（来自英文维基百科）

　　约瑟夫森效应的发现，开启了超导应用的新天地—— 超导电子学，其基本单元就是超导体/绝缘体/超导体构成的约瑟夫森结。超导应用不再局限于输电、强磁场、磁悬浮等强电领域，利用超导隧道效应或超导材料本身制作的电子学器件，是超导弱电应用的重要代表，具有非常广泛的用途。如果您已认识到超导是一种宏观量子凝聚态，那么理解超导隧道效应其实也非常简单。量子力学告诉我们，微观粒子具有不费吹灰之力的“ 穿墙术”——通过量子隧穿效应越过壁垒到另一侧，超导体中的电子也不例外。由于超导态下电阻为零，即使零电压也可以维持超导隧穿电流的存在。当超导体 A 中的一群电子量子隧穿到超导体B 中遇到另一群电子时，他们将因为相位的不同而“群殴”。只要稍微改变两个超导体的相位差（如施加外磁场），就可以实现不同的“群殴模式”——超导隧道电流会出现强度调制。这就像光学中的夫琅禾费衍射一样，平行光通过小孔会在远处屏上出现明暗相间的条纹，这恰恰说明了光的波动性和量子本质，也告诉我们超导隧道效应必然是一种量子力学现象（图6）。

　　图6， (a)光的衍射；(b)水波衍射；(c)约瑟夫森结电流（来自labman.phys.utk.edu 及Nature.com）

　　超导隧道电流对外磁场极其敏感，因为即使发生最小的磁通量变化——单位磁通量子（Φ0＝h/2e ≈ 2×10-15Wb ），也会引起超导体相位差的变化，从而形成对超导隧道电流的调制。正是由于超导材料的神奇量子特性，利用约瑟夫森效应，可以做成极其精密的超导量子干涉仪（Superconducting Quantum Interference Device，缩写为SQUID） 。具有并联双约瑟夫森结的直流 SQUID，可以探测10-13T 的微弱磁场，相当于地磁场（5×10-5 T）的几亿分之一（图7(a)）。在交流条件下工作的单结射频 SQUID，甚至可以探测10-5 T 的微弱磁场。可以说，SQUID 是目前世界上最精密的磁测量器件，仅受到了量子力学基本原理的限制（图7(b)）！如今 SQUID 已广泛应用于商业化仪器，在微弱磁信号测量中大有用武之地。将 SQUID 安装在微尺度扫描探头上，能够清晰地测量材料中的磁场分布，可轻松用于检测诸如 CPU 之类大规模集成电路中的缺陷（图7(c)）。基于 SQUID 技术，还能够探测10-9 T 到10-6 T 之间的生物磁场，将有可能在未来实现脑磁图和心磁图的扫描，或给生物医学带来新的技术手段，揭开候鸟和海洋生物远距离迁徙的秘密。

　　图7，超导量子干涉仪 (a)原理示意图；(b)实物；(c)扫描功能器件（来自， 及）