我明明有那么多故事，為什么卻只能當(dāng)一個(gè)背景板...

2019-06-03 11:56 作者:二次元的中科院物理所 0人讀過 | 我要投稿

5月18日的公眾科學(xué)日

不知道大家玩得開心不開心

其實(shí)那天我們默默地在園區(qū)里立了一塊巨大的板子...不知道你們有沒有注意到

其實(shí)這塊默默無聞的背景板

背后藏著關(guān)于量子和超導(dǎo)的驚天大秘密

不知道你看出來沒有

（我覺得應(yīng)該基本沒有）

量子力學(xué)

跨界在物理學(xué)家里面好像根本不是個(gè)事。完成雙縫干涉實(shí)驗(yàn)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；提出了兩朵烏云的開爾文勛爵，在上大學(xué)的時(shí)候還喜歡賽艇；寫下?E=hν?的普朗克，鋼琴管風(fēng)琴大提琴那叫一個(gè)樣樣精通。

現(xiàn)在大家都知道，兩朵烏云里面的其中一朵最后演變成了量子力學(xué)。而關(guān)于背景板的故事，就要從量子力學(xué)開始說起。

在量子力學(xué)的世界里面一切都變得不太一樣了。人們描述一個(gè)微觀粒子的時(shí)候，需要用量子態(tài)，而不是經(jīng)典意義下的位置和速度。平時(shí)大家所說的波函數(shù)，其實(shí)是一個(gè)量子態(tài)在坐標(biāo)空間中的具體表示。當(dāng)然，我們可以跑到其它的空間中去看量子態(tài)長啥樣，比如說動量空間。

「由于你長時(shí)間沒理你的小寶寶，ta 已經(jīng)進(jìn)入休眠狀態(tài)了」這是我們常用的對態(tài)的理解，和量子態(tài)也有異曲同工之妙

在理論上，大家都喜歡用量子數(shù)來表示一些量子態(tài)，也被稱為本征態(tài)。舉個(gè)例子，在量子的彈簧里面，能量是一個(gè)個(gè)分立的能級，不能連續(xù)變化，因?yàn)榭梢杂?0 來標(biāo)記能量最低的能級對應(yīng)的量子態(tài)，向上依次用 1，2，3… 等。這些量子態(tài)之所以被稱為本征態(tài)，是因?yàn)樗鼈兌季哂刑囟ǖ哪芰俊６@個(gè)系統(tǒng)里其它的量子態(tài)，都可以分解為這些本征態(tài)的和。

量子態(tài)我們平時(shí)看不到，甚至波函數(shù)我們平時(shí)也看不到，那么我們現(xiàn)在怎么研究這些磨人的小妖精呢？

「意外隧穿」怎么辦

隨著現(xiàn)在對物理學(xué)的研究的不斷深入，科學(xué)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」這里面電子?，F(xiàn)在咱們繼續(xù)說說，怎么用量子實(shí)現(xiàn)「偷窺」。

前面也提到了，進(jìn)入量子的世界以后，微觀粒子不再有經(jīng)典的位置和速度，而是以一定的概率分布在空間之中。假如這個(gè)電子的能量很高，自然可以來去自由；但是萬一這個(gè)電子的能量不那么高的話，雖然沒那么自由了，但是仍然有可能越過束縛著它的崇山峻嶺，帶上它的「小」秘密私奔，從原子里跑出來。這里面的道理大概就和旅游一樣，如果你手頭有點(diǎn)富裕的話，飛機(jī)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(gè)世界也大可去得。

實(shí)在沒辦法，就只能被帶著出門被動出門了。這在原子里面也不是沒有……比如高能 X 射線轟擊原子，就能把里面的內(nèi)層電子打出來

所以如果我們距離這個(gè)原子更近，在我們關(guān)心的能量范圍內(nèi)的電子更多，就能夠收集到更多的電子。根據(jù)距離隨收集到的電子數(shù)量的變化關(guān)系，就能夠畫出材料表面每一點(diǎn)的電子的多少，以及電子的分布圖了。

當(dāng)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(tǒng)中，電子都藏得很深，根本沒有機(jī)會發(fā)生「意外」，自然也就無從獲得里面的秘密。

關(guān)于意外隧穿，其實(shí)可以多說一點(diǎn)。它雖然有那么一丟丟「偷窺」的本事，但其實(shí)在我們經(jīng)常用的芯片里面，最怕。以前我們都說摩爾定律，我們平時(shí)用的芯片上的電子元件密度，每18個(gè)月要翻一番。最近已經(jīng)聽得比較少了，是因?yàn)檫@個(gè)定律漸漸失效了。

我們都知道芯片里面都是數(shù)字信號 0 和 1。在現(xiàn)實(shí)中，我們可以建一個(gè)水池，水位高的時(shí)候規(guī)定為 1，水位低的時(shí)候規(guī)定為 0。芯片里面用來區(qū)別 0 和 1 的方法也很簡單，只不過把水換成了電子。隨著大家造水池的技術(shù)越來越好，水池的尺寸也越做越小，這時(shí)候「意外隧穿」就要找上門來了。意外隧穿最麻煩的地方在于，芯片的運(yùn)行需要穩(wěn)定，但是如果水池里面的水忽多忽少，信號隨便變，這芯片就沒法用了。

費(fèi)米的面，好吃嗎？

常言道，理論物理學(xué)家費(fèi)紙，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家費(fèi)電，理論實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家費(fèi)米。

當(dāng)然，費(fèi)米其實(shí)是一個(gè)人。這只是調(diào)侃，作為少數(shù)幾位在理論物理領(lǐng)域和實(shí)驗(yàn)物理領(lǐng)域都是佼佼者的大師，大家對于費(fèi)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(dāng)量。

在 20 世紀(jì) 20 年代，大家漸漸地發(fā)現(xiàn)在量子里面和經(jīng)典物理不一致的地方，泡利通過分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到一個(gè)非常重要的結(jié)論，泡利不相容定律——具有相同量子數(shù)的粒子，不能處于同一個(gè)量子態(tài)上。滿足這條定律的粒子，被稱為費(fèi)米子，而電子正好就是一個(gè)費(fèi)米子。

因?yàn)榕堇幌嗳荻傻拇嬖?，?shí)際材料中的電子，都只能以「疊羅漢」的方式存在。

根據(jù)所處環(huán)境的不同，每個(gè)能量范圍內(nèi)能待的電子數(shù)量并不相同，但是因?yàn)榕堇幌嗳荻傻拇嬖?，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(gè)球，而球的表面，就被稱為費(fèi)米面。

在這里面萬幸的是，電子是在能量方向上玩疊羅漢，在現(xiàn)實(shí)世界中還是可以彌散分布的。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(gè)又一個(gè)的球……

現(xiàn)在大家知道了吧，費(fèi)米面不是說做這碗面很費(fèi)大米……

話筒終于交給了我們的背景板…

其實(shí)我們的背景板，講述的是超導(dǎo)的故事。

提起超導(dǎo)，大家可能都知道隨著溫度的降低，電阻會突然消失，而且一些超導(dǎo)體還可以完全屏蔽外磁場。上面提到的是超導(dǎo)體宏觀的性質(zhì)，通過對超導(dǎo)體的研究，人們根據(jù)量子力學(xué)提出了其微觀形成超導(dǎo)機(jī)理的 BCS 理論，解釋和預(yù)言了很多現(xiàn)象。

比如我們前面提到的，電子在材料里面會「疊羅漢」。BCS 理論就預(yù)言了，在物體完6成超導(dǎo)絕緣體轉(zhuǎn)變的時(shí)候，疊羅漢的姿勢會不太一樣——原來每個(gè)位置都會有人愿意待著，但是變成超導(dǎo)體以后，費(fèi)米面上一些電子不干了。