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(A-20)约瑟夫森效应的故事(高南)
2017-07-28 | 编辑: | 【 【打印】【关闭】

  正常导体存在电阻效应,如果给其一个电流脉冲,这个电流会很快衰减为零。如果将超导体降温到一个很低的临界温度以下,这时该金属的电阻会突然消失,从而进入超导状态。超导线圈中的电流可以在没有外加电压的情况下持续存在。从微观角度来说,超导与普通导体的区别在于其中电子的存在形式。普通导体中电子单个存在,由于电子作为费米子,根据泡利不相容原理,会逐渐由低到高占据能带直到费米能级。而在超导体中,电子之间借助晶格的相互作用而产生一个等效的吸引作用,从而两两配对,成为库伯电子对。这种配对效应会在电子的连续能谱中打开一个带隙,从而导致金属中的常见散射不足以克服这一带隙而不会发生。这就解释了超导中持续电流存在的原因。从另外一个角度分析,由于两个费米子的复合例子是玻色子,在低温下这些电子对会凝聚到最低的能级上,从而形成一种宏观的量子态。这一超导机制(BCS理论)由巴登、库伯、施里弗于1957年前后首次提出,他们也因此获得了1972年的诺贝尔物理学奖。值得一提的是,巴登此前于1947年与布拉顿合作制作出世界上第一个三极管,并因此与发明二极管的肖克莱共享了1956年的诺贝尔物理奖。巴登也是迄今为止唯一一个获得两次诺贝尔物理奖的科学家。 

  我们把时间定格在1962年。当时巴登已经获得了诺贝尔物理学奖,并且创立了超导的BCS理论,而约瑟夫森此时只是剑桥大学的一名在读博士研究生。约瑟夫森考虑的是如果将两块超导体逐渐靠近,中间只夹着一层几纳米厚的绝缘体,会发生什么情况? 

 

  约瑟夫森认为,由于超导中电子处于一种宏观的量子态,那么两块超导体中的波函数就会发生一定的叠加,并且产生干涉效应。当两块超导体之间没有外加电压时,我们可以认为二者中电子对波函数的频率相等,这时波函数的叠加导致电子对直接隧穿通过绝缘层。这一遂穿电流的大小取决于二者的相位,如果当它们的相位相同时,会发生相长干涉,两个波互相增强,波动幅度加倍,频率不变;当相位相反(相差180度)时,会发生相消干涉,波动幅度为0。如果在两块超导体之间加入电压,会发生什么情况呢?这时两者的波函数频率会有不同,从而会发生拍频的现象。例如当我们在几乎同一个位置放置两个频率略微不同的音叉,当它们共同发出声音时,我们在远处会听到声音强度会有一个缓慢的强弱变化,这一强度变化的频率等于两个音叉频率的差值。同样的道理,当两块超导体中电子对波函数频率由于外加电压而略微不同时,它们之间的干涉导致波函数的幅度随时间发生强弱交替的变化,这反应在电流上,就导致一个来回震荡的交流电流。由于波函数的频率正比于能量,波函数的频率差正比于外加电压,这样通过整个体系的电流震荡频率也就正比于外加电压。直观上来说,这是一个很令人吃惊的结果,因为一个恒定的外加电压居然会产生交变的电流! 

  约瑟夫森发表上述理论后,得到了巴登的强烈反对。因为在约瑟夫森的推理中,需要认为电子可以对作为一个整体穿过绝缘层,从而形成波函数间的量子干涉。而事实上,根据BCS理论,只有在超导状态的材料中电子才能稳定地成对地出现和运动。如果在绝缘材料中电子是以单个的形式穿过,那么约瑟夫森将不会再成立。在巴登1962年发表的一片论文中,他以注释的形式写道:由于电子配对机制不会延伸到绝缘层中,约瑟夫森提出的效应不会存在。在九月份于伦敦召开第八届国际低温物理会议上,两人甚至发生了面对面的交锋。作为一名研究生,面对大名鼎鼎的诺贝尔奖得主,约瑟夫森依然坚持了自己的意见。 

  最终,1963年,安德森和罗厄尔通过实验证明了约瑟夫森的结果是正确的。事实上,当绝缘层的厚度为几个纳米时,仍然小于电子的相干长度,绝缘层两侧的电子仍然可以发生关联,从而支持了电子对隧穿的图像。这一效应于是被称为约瑟夫森效应,并且用来成为电压的测量标准,而超导量子干涉仪(SQUID)也是基于约瑟夫森效应构建的。1972年和1973年的诺贝尔奖也分别授予巴登和约瑟夫森,以表彰他们在超导领域的贡献。 



 
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