效应

克拉克、德沃雷特和马丁尼斯的实验正是实现了宏观电流的量子效应。

如前所述，超导的宏观量子效应表现形式有很多种，其中基于约瑟夫森效应的电子学器件广泛使用在电压基准、弱磁探测、量子计算、深空观测等领域[25]。

从历史上来看，超导隧道效应的理论和实验确实要早于他们的发现，所以他们的研究既不是“0”也不是“1”，而可以算是在此前基础上发展出来的“2”。

细数下来，这可以算是超导相关研究第6次获得诺贝尔物理学奖，目前超导领域获得诺贝尔奖人数已达13人之多[2]！

Rowell）于1963年的锡/氧化锡/铅隧道结实验证实下，直流约瑟夫森效应成功被确认[13]，交流约瑟夫森效应也在不久之后被实验观测到[14]，并得到了广泛的应用，相关超导电子学器件是世界上最灵敏的电压和磁场探测装置。

不过，贾埃沃发现的超导隧道效应并不等价于约瑟夫森效应，而是施加外电压下的单电子隧穿效应，其隧穿电流出现的能量对应两个超导体能隙之和[12]。

换句话说，贾埃沃的实验证实了超导能隙的存在——要破坏超导电子态，必须付出足够的能量代价，所以超导作为宏观量子态在低温下是可以稳定存在的，这是BCS超导微观理论的核心基础。

这就是“超导隧道效应”，后被命名为“约瑟夫森效应”，前者称之为“直流约瑟夫森效应”，后者称之为“交流约瑟夫森效应”（图6）[11]。

从约瑟夫森理论预言的超导库珀电子对隧穿（2个电子），到克拉克、德沃雷特和马丁尼斯的实验实现的宏观电流隧穿（无数个电子），超导的宏观量子效应实现了“从二到无穷大”的现实跨越，也让基于人工原子的量子计算等一系列应用展现了无限可能。

我们完全有理由相信，在未来的不久，超导的宏观量子效应带来的一系列应用会彻底改变人类世界。

结语从约瑟夫森理论预言的超导库珀电子对隧穿（2个电子），到克拉克、德沃雷特和马丁尼斯的实验实现的宏观电流隧穿（无数个电子），超导的宏观量子效应实现了“从二到无穷大”的现实跨越，也让基于人工原子的量子计算等一系列应用展现了无限可能。

超导宏观量子效应

随着超导材料体系的不断丰富、微纳加工技术的不断发展和电子学元器件的不断改进，还有许多超导的宏观量子效应有待发掘，理论上也预言了众多其他的量子效应，尚未能得到实验的验证（图15）。

最近几年，理论学家还预言了超导材料的另一种宏观量子效应——拓扑超导态。

在本文最后部分，我们对超导宏观量子效应的相关应用做一个简要的介绍。

宏观量子效应的出现受到温度、尺度、噪声等多方面的干扰，如何优化设计实验方案才是获得成功的真谛，这也是为何该工作具有里程碑式的意义。

所以，对于超导体来说，其宏观量子效应的载体可以是“半个电子”、“一个电子”，抑或是“一对电子”（2个电子）。

所以，确切地说，2025年的诺贝尔物理学奖颁发的是电子体系宏观量子效应的实验观测，属于超导、量子力学和量子计算的交叉领域。

拓扑超导态下的马约拉纳零能模所以，对于超导体来说，其宏观量子效应的载体可以是“半个电子”、“一个电子”，抑或是“一对电子”（2个电子）。

拓扑超导态与传统的有能隙超导态有本质的区别，得以材料内部电子结构的拓扑保护，拓扑超导体在其边界的能隙范围之内，允许存在单粒子形式的准粒子激发，例如满足非阿贝尔统计的马约拉纳任意子（既不属于费米子也不属于玻色子）[15]。

由此可见，尽管理论上宏观物体也存在量子效应，但要实验上观测到直接证据，是非常困难的。

超导宏观量子效应的应用

那是否有可能无穷多个电子也能实现宏观量子效应呢？

需要说明的是，即使他们的实验观测到了宏观隧穿电流，但实际上他们的器件尺寸在10-80微米，远远小于我们熟悉的毫米-米量级的宏观尺度，而且他们实验中宏观量子效应必须在37mK以下才能实现，当温度升至100mK时，体系将恢复到经典的电流隧穿效应[24]。

激光和BEC态分别是光子和原子体系的宏观量子态除了光子、原子、分子之外，材料内部的电子也同样可以实现宏观量子效应。

磁通涡旋的存在，本质上是因为超导内部配对电子集体和外磁场之间的相互作用，而其量子化特征为超导的量子应用提供了重要载体。

超导中的宏观量子效应

超导中的宏观量子效应超导材料中最早发现的宏观量子效应是“磁通量子化”——在第二类超导体相变区域附近，足够强的外磁场可以导致磁力线进入超导体内部，而形成一个个“磁通涡旋”，磁通涡旋具有特定的空间排布，称之为“磁通格子”。

超导材料中最早发现的宏观量子效应是“磁通量子化”——在第二类超导体相变区域附近，足够强的外磁场可以导致磁力线进入超导体内部，而形成一个个“磁通涡旋”，磁通涡旋具有特定的空间排布，称之为“磁通格子”。

超导材料中的典型宏观量子效应是超导隧道效应。

超导现象是人类最早发现的宏观量子效应，对应材料内部巡游电子形成库珀电子对发生的相位相干凝聚。

除了光子、原子、分子之外，材料内部的电子也同样可以实现宏观量子效应。

偏置电流驱动的约瑟夫森结中的宏观量子隧穿效应

感觉信号可能解释了类黄酮效应

从二到无穷大：超导的宏观量子效应及其应用

从二到无穷大：超导的宏观量子效应及其应用从二到无穷大：超导的宏观量子效应及其应用精选

为什么宏观体系存在量子效应？

基于量子隧穿效应的扫描隧道显微镜原理

微观粒子的宏观量子效应

微观粒子的宏观量子效应量子效应不仅仅是微观粒子的“特权”，在宏观尺度上也是可能出现的。

所以，激光可以看做是一大团相同频率的光子，也即光子的宏观量子效应[5]。

然而正是这个“2”，让宏观量子隧穿效应成为电路中易于观测和调控的对象，包括量子计算在内的一系列技术才得以迅速发展，未来充满了无穷多的可能性。

超导的宏观量子效应有什么重要特性和相关应用？

量子效应不仅仅是微观粒子的“特权”，在宏观尺度上也是可能出现的。

不同于宏观世界的山坡，只有从坡的一头爬到坡顶才能翻越到坡的另一头，微观世界的粒子面对势垒的时候，是有可能在坡底就打通一个无形的“隧道”而穿越到另一头，这就是量子隧穿效应（图1）。

如今，量子隧穿效应在现实世界中已有很重要的应用，比如科学家们常用的扫描隧道显微镜：用极小的针尖去接近材料表面，在尚未触碰到表面原子的情况下，材料表面的电子有一定概率隧穿到针尖上，通过隧穿过来的电流大小进而得知材料表面电子态密度的分布，相当于间接“触摸”到了原子（图2）。

量子隧穿效应示意图

和玻色爱因斯坦凝聚类似，量子霍尔效应也往往需要在极低温度下才能出现，把块体材料冷却到mK温度，比把数千个原子冷却到nK要难得多，所以量子霍尔效应的应用较为困难（图4）[8]。