我明明有那麼多故事，為什麼卻只能當一個背景板..._風聞

中科院物理所-中科院物理所官方账号-2019-05-26 14:04

2019-05-26

原創：中科院物理所

上週的公眾科學日

不知道大家玩得開心不開心

其實那天我們默默地在園區裏立了一塊巨大的板子…不知道你們有沒有注意到

不知道你還有沒有印象，當時有沒有去合個影啥的

其實這塊默默無聞的背景板

背後藏着關於量子和超導的驚天大秘密

不知道你看出來沒有

（我覺得應該基本沒有）

量子力學

Quantum Mechanics

跨界在物理學家裏面好像根本不是個事。完成雙縫干涉實驗證明光的波動性的托馬斯 · 楊，被喊去幫忙破解古埃及的象形文字；提出了兩朵烏雲的開爾文勳爵，在上大學的時候還喜歡賽艇；寫下 E=hν 的普朗克，鋼琴管風琴大提琴那叫一個樣樣精通。

現在大家都知道，兩朵烏雲裏面的其中一朵最後演變成了量子力學。而關於背景板的故事，就要從量子力學開始説起。

在量子力學的世界裏面一切都變得不太一樣了。人們描述一個微觀粒子的時候，需要用量子態，而不是經典意義下的位置和速度。平時大家所説的波函數，其實是一個量子態在座標空間中的具體表示。當然，我們可以跑到其它的空間中去看量子態長啥樣，比如説動量空間。

「由於你長時間沒理你的小寶寶，ta 已經進入休眠狀態了」這是我們常用的對態的理解，和量子態也有異曲同工之妙

在理論上，大家都喜歡用量子數來表示一些量子態，也被稱為本徵態。舉個例子，在量子的彈簧裏面，能量是一個個分立的能級，不能連續變化，因為可以用 0 來標記能量最低的能級對應的量子態，向上依次用 1，2，3… 等。這些量子態之所以被稱為本徵態，是因為它們都具有特定的能量。而這個系統裏其它的量子態，都可以分解為這些本徵態的和。

量子態我們平時看不到，甚至波函數我們平時也看不到，那麼我們現在怎麼研究這些磨人的小妖精呢？

「意外隧穿」怎麼辦

Quantum Tunnelling

隨着現在對物理學的研究的不斷深入，科學家們探索的腳步早就踏入到原子的世界之中，為了能夠研究原子級別的**「小」秘密**，自然就需要「偷窺」這裏面電子。現在咱們繼續説説，怎麼用量子實現「偷窺」。

當然，常規的觀測方法肯定看不到原子那麼小的東西

前面也提到了，進入量子的世界以後，微觀粒子不再有經典的位置和速度，而是以一定的概率分佈在空間之中。**假如這個電子的能量很高，自然可以來去自由；但是萬一這個電子的能量不那麼高的話，雖然沒那麼自由了，但是仍然有可能越過束縛着它的崇山峻嶺，帶上它的「小」秘密私奔，從原子裏跑出來。**這裏面的道理大概就和旅遊一樣，如果你手頭有點富裕的話，飛機高鐵交通工具隨便選，來去自由；如果手頭沒啥錢的話，勒一勒褲腰帶攢一攢錢，這個世界也大可去得。

實在沒辦法，就只能被帶着出門被動出門了。這在原子裏面也不是沒有……比如高能 X 射線轟擊原子，就能把裏面的內層電子打出來

所以**如果我們距離這個原子更近，在我們關心的能量範圍內的電子更多，就能夠收集到更多的電子。**根據距離隨收集到的電子數量的變化關係，就能夠畫出材料表面每一點的電子的多少，以及電子的分佈圖了。

當然，世界上沒有方法是萬能的。前面這些話的前提是你能夠收集到這些電子，但是在一些系統中，電子都藏得很深，根本沒有機會發生「意外」，自然也就無從獲得裏面的秘密。

機械硬盤 vs 固態硬盤

關於意外隧穿，其實可以多説一點。它雖然有那麼一丟丟「偷窺」的本事，但其實在我們經常用的芯片裏面，最怕。以前我們都説摩爾定律，我們平時用的芯片上的電子元件密度，每18個月要翻一番。最近已經聽得比較少了，是因為這個定律漸漸失效了。

水杯和電子元件裏面的「電子杯」其實很像

我們都知道芯片裏面都是數字信號 0 和 1。在現實中，我們可以建一個水池，**水位高的時候規定為 1，水位低的時間規定為 0。**芯片裏面用來區別 0 和 1 的方法也很簡單，只不過把水換成了電子。隨着大家造水池的技術越來越好，水池的尺寸也越做越小，這時候「意外隧穿」就要找上門來了。意外隧穿最麻煩的地方在於，芯片的運行需要穩定，但是如果水池裏面的水忽多忽少，信號隨便變，這芯片就沒法用了。

費米的面，好吃嗎？

Good Taste Fermi Surface

常言道，理論物理學家費紙，實驗物理學家費電，理論實驗物理學家費米。