群毆的藝術:超導量子干涉的原理和應用|粉絲福利

2024年04月28日17:22:04 科學 5474
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戰爭是人類歷史上有組織有紀律的群毆,縱觀世界歷史上大大小小的戰爭,基本上以少勝多或弱者戰勝強者的例子極少,只要有即可列入史上著名戰爭之一。換而言之,基本上臨時拼湊的雜牌軍很難在規模宏大的正規軍面前取得勝利[1]。這背後其實蘊含著一個非常簡單的物理原理:正規軍所處能量狀態和無序度要比雜牌軍低。陣法分明、訓練有素的正規軍在戰鬥中體現的是排列有致、整齊劃一,不僅在氣勢上壓倒敵人,在實戰中還可以根據形勢實施高效有力的打擊或防禦。相比之下雜亂無章、不聽指揮、效率低下的雜牌軍就很可能一觸即潰。總之,處於低能有序穩定態的正規軍,在大部分情況下完全可以無情地碾壓雜牌軍,因為相對而言敵人處於高能無序亞穩態,戰爭消耗必然要大得多。戰場前線從正規軍衝到雜牌軍,就是一個增加的過程(圖1)。



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▲圖1:熵增加與無序度(來自popphysics*)


等等,熵?是個什麼玩意兒?


大都數人應該聽說過智商和情商,是衡量一個人的智力和情緒重要指數。智商的定義為:智力年齡除以生理年齡然後乘以100,是個商係數值。智商為200分制,低於25屬於白痴,高於140屬於天才,有興趣的朋友自行對號入座。物理學上的熵,是熱力學中的一個極其重要且基本的概念,甚至比溫度等概念更為重要,堪稱熱力學之魂。熵的概念是由熱力學祖師爺之一——克勞修斯於1854年引入的,意為簡單描述熱力學第二定律的態函數。該自然基本定律的其中一種描述是:「熱量從低溫向高溫物體傳遞而不產生任何其他影響是不可能的。」[2]對可逆熱力學過程,可以用流入系統熱量與溫度之商來定義一個和循環路徑無關的態函數,克勞修斯結合德語中的能量(die energie)和轉變(trope)兩個詞命名這個態函數為entropy。據說後來中國物理學家胡剛復於1923年仿克勞修斯造新詞的style,將其翻譯為「熵」,也是取其商的形式定義及熱力學屬性結合而成。因此,和智商的定義類比,物理學中的熵,可謂是「熱商」[3]。

 

然而,熵並不僅僅是一個簡單熱力學商值,這個概念蘊含著極其重要的物理思想。在麥克斯韋、玻耳茲曼、普朗克等著名理論家的步步深入挖掘下,熵的定量表達式最終得以給出。這一系列研究構築了宏觀和微觀世界之間的重要橋樑——統計物理學。麥克斯韋成名於他的電磁學統一理論,即著名的麥克斯韋方程組。1871年,麥克斯韋出任劍橋大學物理學教授,負責籌建卡文迪許實驗室,並對更多的物理問題產生了濃厚興趣。其中一項重要貢獻就是他提出的氣體分子動力學假說,他認為氣體是由一個個獨立的微小分子組成,它們的集體運動規律決定了氣體的宏觀性質。1872-1875年間,來自奧地利的天才物理學家路德維希·玻耳茲曼進一步發展了麥克斯韋分子運動論,他用概率統計的方法,引入能量均分理論,用於描述大量氣體分子的運動狀態。玻耳茲曼給出一個極其重要的結論:一切自發過程,總是從概率小的有序態向概率大的無序態變化。而我們熟知的熱力學中的熵,其實是刻畫系統無序度的物理量。1900年,普朗克將玻耳茲曼的研究寫成一個極其簡潔的表達式:s=k logw。其中w就是系統的宏觀狀態數或稱宏觀態出現概率,s即系統的熵,k是物理學常數,後命名為玻耳茲曼常數。可以說,玻耳茲曼的熵公式,其優美程度和麥克斯韋方程組不相上下,甚至比其更加深刻地揭示了微觀物理世界的基本規律,影響整個物理學至今(例如著名的薛定諤方程就可能是借鑒該公式而來)[3]。不幸的是,天才往往超越他所處的時代,玻耳茲曼做出這些研究的時候,量子論尚未建立,關於原子的概念是否存在仍然有極大的爭議。玻耳茲曼與奧斯特瓦爾德之間發生了激烈的「原子論」和「唯能論」之爭,後者背後是理論物理「教父」級人物——恩斯特·馬赫。儘管當時資歷尚淺的普朗克(時為玻耳茲曼助手)站在了玻耳茲曼的一邊,但於事無補,面對大牛群體的激烈質疑,玻耳茲曼對當時物理界充滿了厭惡和憤懣。1906年,痛苦壓抑絕望之極的玻耳茲曼,選擇了飲彈自殺,一代物理天才隕落在無謂的人身攻擊和紛爭之中。如果玻耳茲曼能在黑暗年代堅持下去的話,或許他將見證甚至親自推動物理學史上前所未有的新革命。1900年,普朗克在黑體輻射研究中首次提出量子論;1905年,愛因斯坦借鑒量子論提出了光量子假說;隨後十幾年間,量子力學在玻爾、海森堡、德布羅意、薛定諤、波恩等人的努力下迅速建立;數十年後,人們已經可以從實驗上直接觀察甚至操縱單個原子。原子的客觀存在不容置疑,玻耳茲曼理論也得到了遲來的肯定,奈何天意弄人,空留慨嘆。玻耳茲曼被葬在了維也納中央公墓,他的墓碑上刻有他的名字、生卒年月,和著名的玻耳茲曼熵表達公式(圖2)[4]。



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▲圖2:玻爾茲曼和刻在他墓碑上的熵公式(來自維基百科)


根據熱力學,對於一個孤立系統,體系的熵是恆增加的,也就是說系統的狀態數總是在增加,趨於無序狀態。要注意的是,嚴格意義上來說,這裡的狀態數是在相空間,表徵的是系統個體步調一致程度,和我們實空間直觀上的無序度有一定區別。玻耳茲曼的熵公式明確告訴我們,系統的宏觀狀態數和微觀運動存在必然聯繫,因此,理論上,研究一個系統熵的變化,就可以從熱力學上給出它的微觀集體行為。只是,實驗上並非如此輕而易行,因為直接測量熵本身存在許多困難。在實驗研究物體熱力學性質時,人們通常採用的是測量系統的比熱、熱導等比較直接的方法,通過對比熱和溫度之商的積分,可以得到系統熵的相對變化,進一步推斷系統是否發生了熱力學意義上的宏觀行為。就像一群人吃芝士火鍋一樣,完整的熱力學實驗包括熱源(爐子)、量熱器(鍋)、樣品(芝士)、溫度計(餐具)、觀測者(人)等重要因素,才可以給出熱力學參量的演化信息(圖3)。



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▲圖3:熱力學的實驗研究方法(孫靜繪製)


當一個系統的熱力學參量發生突變的時候,物理上往往就稱其發生了熱力學「相變」,系統從一個狀態相轉化成了另一個狀態相,水變冰就是一種典型的物理相變[5]。類似地,超導現象發生前後,材料的電阻突降為零,體內磁感應強度也變為零,這是否意味著,超導會是一種熱力學相變呢?


答案是肯定的!


實驗測量超導材料的比熱就會發現,超導現象的出現,伴隨著比熱的躍變發生——超導態的比熱會突然增加。詳細的研究表明,這個比熱躍變來源於材料內部的電子體系,即電子的比熱發生了躍變,而材料的晶體結構和晶格比熱並未發生突變。因此,超導現象的發生實際上是材料內部電子體系的一種相變過程,對應著電、磁、熱等多種「異常」物理現象。零電阻、完全抗磁性、比熱躍變是完整描述一個超導相變的三個典型特徵,其中零電阻和完全抗磁性各自獨立,而比熱躍變則揭示了超導作為熱力學相變的重要屬性[6](圖4)。



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▲圖4:超導相變過程比熱和熵的變化(作者繪製)


在一般金屬材料中,其比熱係數主要來源於和溫度成正比的電子運動比熱,以及和溫度呈三次方關係的晶格振動比熱。倘若不存在超導相變,比熱/溫度比值將和溫度本身成二次方關係,我們可以定義其為「正常態比熱」。發生超導相變後,電子體系的比熱將發生躍變,而晶格比熱規律不變,我們稱之為「超導態比熱」。將正常態和超導態下的比熱/溫度值對溫度進行積分,就可以得到系統熵對溫度的依賴關係。一個非常明顯的事實是,超導態的熵要低於正常態,且越到低溫差距越大(圖4)。這說明,超導相變是電子體系熵減小的過程,電子系統從相對無序態進入到了有序態。進一步把熵對溫度進行積分,就可以得到材料體系的自由能。因為超導態的熵要低,對應系統的自由能也就減少了。這意味著,超導態是材料中電子體系的一種低能凝聚現象,其減少的自由能又被稱為「超導凝聚能」。由於固體材料中電子體系相變根源於微觀量子相互作用,超導可以被認為是電子體系有序化的一種「宏觀量子凝聚態」,這是超導熱力學給我們的重要啟示![7]


正是因為認識到超導屬於電子體系的宏觀量子態,物理學家才得以從微觀上揭示超導的物理本質——材料中近自由運動的電子兩兩配對並集體凝聚到低能組態。物理上描述微觀粒子集體行為有一個非常簡單量——位相,相當於每個粒子運動的「步調」。由於電子超導是集體凝聚行為,同一個超導體內電子將步調一致,即共享一個位相。也就是說,所有的超導電子可以看做一個和諧的整體,它們按照共同的旋律來運動[8]。


一個有趣的問題隨之產生:如果讓兩個不同超導體中的電子相遇,會發生什麼事情?顯然,超導體a中的電子有a型位相,超導體b中的電子有b型位相,相遇後誰跟著誰的步調呢?就像兩支訓練有素的正規軍相遇,一言不合,群毆大戰就爆發。何解?


1962年,劍橋大學一名22歲的二年級研究生仔細思考了這個問題,並從理論上給出了自己的答案。兩個中間隔著薄薄一層絕緣體的超導體,在不加外界電壓情況下,就會因為相位差異而形成「超導隧道電流」,超導電子可以量子隧穿到另一個超導體中去;在加上外界電壓之後,最大通過電流會隨磁場呈周期震蕩。這種奇異的量子效應稱之為「超導隧道效應」,後以發現人名字命名為「約瑟夫森效應」[9]。據說,當年剛剛跨入研究門檻的布萊恩·約瑟夫森苦於尋找研究課題,偶然機會拜訪凝聚態物理大牛菲利普·安德森後,向其請教可能的課題,安德森便建議理論研究超導隧道效應。約瑟夫森用簡單的數學方法很快就得到了上述結果,但預言的現象實在太奇特,即使論文發表後他自己都還忐忑不安。幸運的是,實驗技術走在了理論前面,1958年,江崎玲於奈實現了半導體材料的隧道二極體,1960年賈埃沃就已在鋁/氧化鋁/鉛複合薄膜中觀測到了超導隧道電流[10]。約瑟夫森理論出來三個月後,安德森的研究組就成功錫/氧化錫/錫薄膜中全面驗證了他的理論[11]。因為半導體和超導體中量子隧道效應的成功實驗和理論,江崎、賈埃沃、約瑟夫森分享了1973年的諾貝爾物理學獎,其中約瑟夫森時年33歲(圖5)。遺憾的是,直到如今,約瑟夫森的下半生精力都貢獻給了包括特異功能在內的超自然力研究當中,逐漸走向邊緣化了。



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▲圖5:1973年諾貝爾物理學獎獲得者:約瑟夫森、賈埃沃、江崎玲於奈奈(來自諾貝爾獎官網*)


約瑟夫森效應的發現,開啟了超導應用的新天地——超導電子學,其基本單元就是超導體/絕緣體/超導體構成的約瑟夫森結。超導應用不再局限於輸電、強磁場、磁懸浮等強電領域,利用超導隧道效應或超導材料本身製作的電子學器件,是超導弱電應用的重要代表,具有非常廣泛的用途。如果您已認識到超導是一種宏觀量子凝聚態,那麼理解超導隧道效應其實也非常簡單。量子力學告訴我們,微觀粒子具有不費吹灰之力的「穿牆術」——通過量子隧穿效應越過壁壘到另一側,超導體中的電子也不例外。由於超導態下電阻為零,即使零電壓也可以維持超導隧穿電流的存在。當超導體a中的一群電子量子隧穿到超導體b中遇到另一群電子時,他們將因為相位的不同而「群毆」。只要稍微改變兩個超導體的相位差(如施加外磁場),就可以實現不同的「群毆模式」——超導隧道電流會出現強度調製。這就像光學中的夫琅禾費衍射一樣,平行光通過小孔會在遠處屏上出現明暗相間的條紋,這恰恰說明了光的波動性和量子本質,也告訴我們超導隧道效應必然是一種量子力學現象(圖6)[12]。


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▲圖6:(a)光的衍射(b)水波衍射(c)約瑟夫森結電流(孫靜繪製)


超導隧道電流對外磁場極其敏感,因為即使發生最小的磁通量變化——單位磁通量子(Φ0=h/2e ≈2×10-15wb),也會引起超導體相位差的變化,從而形成對超導隧道電流的調製。正是由於超導材料的神奇量子特性,利用約瑟夫森效應,可以做成極其精密的超導量子干涉儀(superconducting quantum interference device,縮寫為squid)[13]。具有並聯雙約瑟夫森結的直流squid,可以探測10-13 t的微弱磁場,相當於地磁場(5 x 10-5 t)的幾億分之一(圖7)。在交流條件下工作的單結射頻squid,甚至可以探測10-15 t的微弱磁場。可以說,squid是目前世界上最精密的磁測量器件,僅受到了量子力學基本原理的限制[14]!如今squid已廣泛應用於商業化儀器,在微弱磁信號測量中大有用武之地。將squid安裝在微尺度掃描探頭上,能夠清晰地測量材料中的磁場分布,可輕鬆用於檢測諸如cpu之類大規模集成電路中的缺陷(圖7(c))。基於squid技術,還能夠探測10−9 t 到 10−6 t之間的生物磁場,將有可能在未來實現腦磁圖和心磁圖的掃描,或給生物醫學帶來新的技術手段,揭開候鳥和海洋生物遠距離遷徙的秘密。


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▲圖7:超導量子干涉儀(a)原理示意圖、(b)實物、(c)掃描功能器件(孫靜繪製)


超導電子學另一個極其重要的應用就是基於超導約瑟夫森結的超導量子比特,根據其利用超導電子的不同性質(自旋、電荷、位相),又分為超導磁通比特、電荷比特、位相比特等三類(圖8)[15-17]。打開你的電腦機箱。在主板核心位置就會發現計算機的cpu,它是電腦的「神經中樞」,其中大量的「神經元」就是由半導體電子學器件——經典比特構成。摩爾定律告訴我們,計算機每秒的運行次數隨著年代在持續增長,但是總有一天會遇到盡頭——因為經典比特里的電路寬度不能無限小,終將觸碰到量子極限。當集成電路單元越來越小的時候,量子效應的凸顯會讓所有經典的電路失效,最後電腦里只能用越來越多個核來克服無法集成更多電路的困境,即便如此,該困境預計會在未來十年內走到絕境。看來逃避量子效應並不是一個好辦法!既然躲不起,那不如惹得起!主動利用起量子效應,把半導體電子學器件「進化」為超導電子學器件,大膽用起超導量子比特,把現在的經典計算機量子化,實現高速並行的量子計算[17]。當然,量子計算機並非一定要採用超導量子比特。不過由於超導的零電阻效應,超導電子學器件運行能耗幾乎為零,再也不用發愁cpu溫度過高的問題了。量子計算的效率有多高?由於量子疊加效應,僅僅需要32個量子比特就能存儲4gb的信息量!現今用大型伺服器做一部imax高清動畫需要花費數年,換量子計算機來也許就是分分鐘搞定的事兒,未來的美好簡直不敢想像!



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▲圖8:一個典型的超導磁通量子比特[17](孫靜繪製)


除了利用超導材料中的奇異量子效應之外,單純利用超導的零電阻優勢製作微波器件也是超導弱電應用的重要領域。普通金屬材料存在電阻,因此作為微波器件必然存在損耗,無法達到理想的電子學性能。如今社會離不開通訊和數據傳輸,保證通訊質量和效率的辦法就是儘可能提高信號識別度和降低器件的損耗率,超導材料做成的微波系統是唯一有效的方案(圖9)。超導濾波器具有極小的插入損耗,極高的帶邊陡度和極深的帶外抑制等多重優勢,在移動通訊、國防軍事、航空航天等多個方面已有重要應用 [18]。早在2004年,中國聯通的cdma移動通訊基站就試用了超導濾波器。而在3g/4g基站中,高性能超導濾波器也是讓我們手機不串號不混流量的重要法寶。2008年汶川大地震,我們科技人員製造的超導濾波器及時送出了清晰的遙感地圖,為救災搶險指明了路徑。2012年,我國首顆民用新技術試驗衛星——實踐九號a星搭載超導濾波器上天試驗,首次完成了超導器件的空間實驗。2016年,超導濾波系統作為天宮二號的重要儀器,再次上天。如今,超導濾波器已經走向了產業化道路,未來正是蓬勃發展的黃金期。



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▲圖9:超導微波器件(由中科院物理所孫亮提供)[18]


不僅是微波,對介於無線電波和光波頻段之間的太赫茲波段,超導材料器件也大有可為。由於太赫茲在非金屬斷層探測成像、基因和細胞水平成像、化學和生物檢查、寬頻通信和微波定向等多個方面具有難以替代的優勢,其技術發展有著巨大的應用價值[19]。目前,研發太赫茲發射器、接收器、雷達、成像儀和通訊系統都是處以起步階段,部分器件也利用了超導材料的優異性能(圖10)[20]



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▲圖10:一個典型的超導太赫茲系統(來自scientific reports* )[19]
*註:圖10 reprinted figure from ref.[19] as follows: nakade k et al. sci. rep. 2016, 6: 23178 (open access).


無論是簡單利用超導材料的零電阻和抗磁性優勢,還是較為複雜地利用其宏觀量子特性,超導材料的弱電應用都已經悄然改變了我們的生活。在值得期待的未來,超導的各種應用將會帶來更多的驚喜!


參考文獻

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書名:《超導小時代》

‍♂️ 作者:


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本書主要圍繞超導研究之路上發生的科學事件,介紹超導材料的基本性質和主要應用場景,講述在不同歷史階段各種超導材料發現的背景和歷程。旨在通過介紹超導相關的知識和故事,弘揚探索發現和勇於嘗試的科學家精神,揭示基礎前沿研究中的各種科學問題,展望未來科技發展的方向。


本書定位讓具有高中文化程度的讀者基本讀懂,理工科大學生及以上水平讀者可以進一步參照相關參考文獻進行延伸閱讀。受眾主要是具有理科背景的中學生、大學生以及社會公眾,並為理工科研究生深入了解超導知識提供準確的文獻指引,也為自然科學史相關研究團隊提供可靠素材。


作者簡介


羅會仟,1982年生於江西南康,2004年畢業於北京師範大學物理系,2009年在中國科學院物理研究所獲理學博士學位,之後留所工作至今。


主要從事高溫超導機理的實驗研究,已發表學術論文百餘篇。科普代表作有:《「無理」的物理》、《水煮物理》、《十萬個為什麼》(第六版 物理卷)、《物理學的足跡》等。作品獲首屆全國青年科學博客大賽「最佳科學博客獎」、第四屆「中國科普作家協會優秀科普作品獎」金獎、2018年度上海市科技進步二等獎等。


 

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墨子是我國古代著名的思想家、科學家,其思想和成就是我國早期科學萌芽的體現。墨子沙龍的建立,旨在傳承、發揚科學傳統,倡導、弘揚科學精神,提升公民科學素養,建設崇尚科學的社會氛圍。


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