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
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。
圖片來自 smithsonianmag
當然,費米其實是一個人。這只是調侃,作為少數幾位在理論物理領域和實驗物理領域都是佼佼者的大師,大家對於費米最津津樂道的故事,大概就是用一把紙片,估算出了核彈的爆炸當量。
在 20 世紀 20 年代,大家漸漸地發現在量子裏面和經典物理不一致的地方,泡利通過分析實驗數據得到一個非常重要的結論,泡利不相容定律——具有相同量子數的粒子,不能處於同一個量子態上。滿足這條定律的粒子,被稱為費米子,而電子正好就是一個費米子。
因為泡利不相容定律的存在,實際材料中的電子,都只能以「疊羅漢」的方式存在。
你大概可以這麼想象
根據所處環境的不同,每個能量範圍內能待的電子數量並不相同,但是因為泡利不相容定律的存在,它們依舊只能疊羅漢,按照能量從低到高排。在理想情況下,這些電子會填成一個球,而球的表面,就被稱為費米麪。
在這裏面萬幸的是,電子是在能量方向上玩疊羅漢,在現實世界中還是可以彌散分佈的。不然如果在 xyz 方向上疊羅漢,豈不是世間萬物都讓泡利盤成了一個又一個的球……

這個世界上還有除了吃以外的東西……
現在大家知道了吧,費米麪不是説做這碗麪很費大米……
話筒終於交給了我們的背景板…
It’s your turn!
其實我們的背景板,講述的是超導的故事。

超導磁懸浮演示
提起超導,大家可能都知道隨着温度的降低,電阻會突然消失,而且一些超導體還可以完全屏蔽外磁場。上面提到的是超導體宏觀的性質,通過對超導體的研究,人們根據量子力學提出了其微觀形成超導機理的 BCS 理論,解釋和預言了很多現象。
比如我們前面提到的,電子在材料裏面會「疊羅漢」。BCS 理論就預言了,在物體完成超導絕緣體轉變的時候,疊羅漢的姿勢會不太一樣——原來每個位置都會有人願意待着,但是變成超導體以後,費米麪上一些電子不幹了。
你可以看到中間凹下去了一個坑
通過「意外隧穿」的探測,我們可以準確 get 電子所思所想。隨着温度不斷改變,我們觀測到的**「疊羅漢譜」中間的坑越來越大**,而且會在峯的兩側出現小的突起。
背景板上每條漸變的曲線,實際上都對應着不同温度下理論計算得到的電子「疊羅漢譜」。我們把這些曲線縱向鋪開,就能夠清晰看到超導挖的坑越來越大。
科學家們可以利用這個坑,更深入地研究超導的機制。
One More Thing
Wallpaper
其實,我們還把這張圖做成了手機壁紙……
小編在自己手機上截的圖,看起來好像還挺帶感的。點擊圖片或者「閲讀原文」獲取下載鏈接,提取碼為 ugjz
「
雖然我們講了這麼多
它的故事給你聽
但它依舊還是隻能
當背景
……
」
參考內容以及鏈接:
[1] 摩爾定律-wikipedia
[3] 文中提到了很多物理概念但是並沒有給出其名稱。讀者如果感興趣的話,可以進一步搜索閲讀掃描隧道顯微鏡,費米氣體,態密度,超導能隙的相關內容。