*友情提醒:本文转自2015-09-21 罗会仟 中科院物理所
量子睡到
看过电影《道士下山》的人一定对影片中神奇的“猿击术”武功惊叹不已,想必道士何安下将来肯定技艺超群到神乎其神。中国的道士真有那么牛么?翻一翻连环画《劳山道士》,你会发现还有更加神奇的事情——某些道士居然有毫发无损穿墙而过的道行,简直太不可思议了!要知道,对于普通人来说,要从墙的这头到墙的那头,除了消耗体力翻墙,别无他法。且莫要沮丧,从物理学的角度来看,这个“穿墙而过”可以有,只不过并不发生在我们宏观世界,而是在原子尺度的微观世界里。量子物理告诉我们,一个粒子如果想要去“山”的那一头,它根本不需要像经典物理描述的那样翻山越岭,而完全可以从山脚下打个隧道穿越过去,这个过程称之为“量子隧穿”。
约瑟夫森
在一般的材料里面,电子都是特立独行的,它们喜欢自个儿“偷渡”到另一物体里,而懒得理会同伴。但是,如果把两块超导材料放在一起,情况就大不同啦!超导体在特定温度下电阻会消失为零,其奥秘就在于材料内部电子之间发生了奇妙的故事——某些能量相同但运动方向相反的电子会擦出爱情的火花而“两两配对”。这些超导电子对又被称为“库伯对”,是以理论预言该现象的物理学家库伯命名的。
在超导材料内部,会有大量的库伯电子对,这些幸福的对儿在受到干扰的时候会“互相鼓励”——如果某一个电子在运动过程能量受到损失,那么和它配对的那个电子的能量就会增加。因此,库伯对作为整体在运动过程中能量损失,也就不会产生电阻,超导体宏观电阻为零。配成对儿的电子们,就像整个班里的同学都陷入早恋一样,它们还将保持整体步调一致,大伙儿按照共同的节奏行进,物理学上称之为“相位相干”。
那么,如果把两块超导体靠近,中间还隔着一层薄薄的绝缘体,会发生什么有趣的事情?假设A班的某男生想穿越去B班,那他肯定依依不舍他在A班的女朋友,因为B班那边一个人都不认识。好吧,那么干脆让该男生带着他女朋友一起转学去B班吧。等他们手牵手过去那边教室一看,咦?怎么B班的成双成对的同学们在慢走啊?步调根本和他们自己不协调呢。于是,这对刚刚发现新大陆的同学就回去拉班里其他同学一块过来参观。两个步调不一致的班里同学碰到一起,难免要有点磕磕碰碰,于是就发生了物理世界所谓的“干涉”。这种超导库伯对的集体隧穿,称之为超导隧道效应。利用该效应制备出的一种高大上的仪器叫做“超导量子干涉仪”,这种干涉仪具有极高的灵敏度。由于干涉效应的存在,超导量子干涉仪里面电流会随着外磁场变化出现强度震荡。哪怕是穿过环间的一根磁通线发生了变化,通过干涉仪的电流强度就会出现响应。
超导量子干涉仪以其极高的灵敏度改变着超导库伯对的集体遂穿。
【约瑟夫森效应】
超导量子隧道效应又被命名为“约瑟夫森效应”,是以其理论预言者英国物理学家约瑟夫森命名的。约瑟夫森发现超导电子对可以发生隧穿效应的时候,仅仅是一名22岁的在读研究生。在偶然听学术大牛安德森的报告之后,有了初步的设想,并随后在安德森指导下理论推导出了超导隧道效应的结果。郁闷的是,安德森本人的导师皮帕教授并不喜欢这个疯狂的想法,而当时超导界的顶级大牛巴丁教授同样极其抗拒约瑟夫森的研究结果,尽管巴丁本人因发明晶体管和建立常规超导理论而荣获两次诺贝尔物理学奖,他还是接受不了超导电子对儿也能隧穿的新奇思想。约瑟夫森没有迷信或屈服权威,而是坚持发表了论文。不久之后,超导隧道效应的实验获得了成功,“约瑟夫森效应”一词终于被人接受,约瑟夫森本人也于1973年获得诺贝尔物理学奖。关于微观世界电子们手牵手成对儿穿越的故事,传为佳话,从此开启了超导应用的新世界。
动物们对新事物的接受程度除了看自身的适应能力外还要靠一种外来的平衡。
04
信息技术领域的摩尔定律告诉我们,计算机每秒的运行次数随着年代在持续增长,但是总有一天会遇到尽头——因为经典比特里的电路宽度不能无限小,而是会触碰到量子极限。当集成电路单元越来越小的时候,量子效应的凸显会让所有经典的电路失效,最后电脑里只能越来越多个核,而不是一个核集成越来越多的电路,当然,这个临时的法子也会在未来十年里走到绝境。怎么办呢?最好的办法并不是逃避量子效应,而是主动利用起量子效应。其中,超导量子比特就是替代经典半导体比特的选择之一。
主动出击的结果有时好过被动。
【原文出处】
量子世界的“偷渡、私奔和群架
http://www.kepu.net.cn/gb/ydrhcz/ydrhcz_zpzs/ydrh_lzsjdtdsbqj/201509/t20150917_15634.html
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