超导

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(4959)次阅读|(0)个评论超导的典型应用2024-12-05超导的典型应用罗会仟【注】本文刊载于《现代物理知识》2024,36(5):

(6657)次阅读|(4)个评论超导材料简介2024-11-24超导材料简介罗会仟【注】本文刊载于《现代物理知识》2024年4期“超导材料及其应用专栏”。

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超导量子比特的构造有三类：磁通比特、电荷比特、位相比特，分别利用了超导电子的自旋、电荷、位相等性质，其中基于约瑟夫森结阵列的超导量子芯片是目前的主流[10]。

近年来，人们也在若干超导体或其复合结构中观测到了二极管效应，或许能直接构造出更为简洁方便的超导电子学器件[29]。

Josephson）从理论上探讨了“超导体1-绝缘层-超导体2”结构的电子学效应，发现即使在不加外界电压情况下，就会因为两个超导体中电子集体相位的差异而形成“超导隧穿电流”，也就是说超导电子对可以量子隧穿方式跑到另一个超导体中去。

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。

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。

进一步，在加上外界电压之后，则因为结两边的超导电子集体会发生干涉现象，从而形成高频交变电流，其最小频率是量子化的。

分数量子霍尔效应和超导现象是电子体系的宏观量子态

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。

我们可以把超导波函数描述成一群电子对的波函数集合ψ(ψ1,ψ2,ψ2,…)，对于同一个超导体，每个电子对的波函数ψi都具有相同的相位φ，所以超导波函数具有一个“整体相位”，也就是这群凝聚的电子对可以当做是一个宏观尺度的量子（图4）[9]。

而采用量子计算机构造出类似的量子系统，就可以轻松模拟出高温超导材料中一些看似反常的物理现象，或许能帮助我们理解其机理[33]。

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。

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。

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

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。

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。

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]。

超导宏观量子效应的应用

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从二到无穷大：超导的宏观量子效应及其应用精选

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？

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]。

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。