约瑟夫逊效应及隧穿实验分析理解
|||
在线形量子力学中，由于电子等微观粒子具有波粒二象性，当两块金属被一层厚度为几十至几百A的绝缘介质隔开时，电子等都可穿越势垒而运动。加电压后，可形成隧道电流，这种现象称为隧道效应。 若把上述装置中的两块金属换成超导体后，当其介质层厚度减少到30A左右时，由超导电子对的长程相干效应也会产生隧道效应，称为约瑟夫逊效应
1962年，B.D.约瑟夫逊计算了两边都是超导体结的隧道效应，得到以下重要结果：①在超导结中电子对可以通过氧化层形成超导电流，而结上并不出现电压，称为直流约瑟夫逊效应。在外磁场中，超导结的最大超导电流随磁场出现规律性的变化。②当结上加有电压U时，产生高频超导电流,效率为2eV/h（h为普朗克常数)，这称为交流约瑟夫逊效应。
1963年，C.D.安德森和J.H.罗厄尔在实验中观察到直流约瑟夫逊效应。罗厄尔又在实验中证实了最大超导电流与磁场的关系，约瑟夫逊的理论遂得到完全的证实。
1、Sn-SnOx-Sn超导结直流约瑟夫逊效应实验的量子力学解释
Sn-SnOx-Sn超导结的隧道效应是通过测量结的伏安特性来确定的，如图1所示，图1a)结出了Sn-SnOx-Sn结构，图1b)为结构的电流电压关系（伏安特性曲线）。
从图1b)可以看出，Sn-SnOx-Sn超导结约瑟夫逊效应发生时，结电压为0mV，电流值接近2mA。如果按照电子学的知识来理解，Sn-SnOx-Sn结相当于一平板电容，在直流情况下，如果不考虑热噪声（这点我将在稍后讨论），是不会有电流产生的。量子力学采用电子行进波隧穿势垒（能量间隙）的模型，进行了相关的计算和分析，图2为三种理想势垒U(x)情况下电子行进波隧穿的示意图。
图2.三种典型的隧穿效应示意图
对于矩形势垒（图2(a)），电子的势能U(x) = q Φb =常数（即势垒高度恒定），则电子的隧穿几率为
T(矩形)= exp[-2(2m* qΦb/ħ2)1/2 Δx]
对于三角形势垒（图2(b)），电子的势能线性变化，即U(x)-E = qΦb (1-x/Δx)，则有隧穿几率：
T(三角形)= exp[-(4/3) (2m* qΦb/ħ2) Δx] = exp [ -4 (2m*q)1/2(Φb)3/2 / (3ħ|E|) ]
式中的E是势垒中的电场强度。
对于抛物线形势垒（图2(c)），U(x)-E = q Φb (1-4x/Δx)，则有隧穿几率：
T(抛物线)= exp[-(p/2) (2m*qΦb/ħ2)1/2 Δx]
以上为网络百科提供的标准知识，并用于隧道结伏安特性曲线的解释。
2、个人的相关分析
我认为上面理论分析模型过分理想化和简单化，不能完全反映相关实验相关条件和结果，隧道效应除约瑟夫逊超导类型外，还存在其它多种类型，例如图1b)中的加矣沃，以及以下图3给出的类型。
图3.隧道效应类型伏安特性示意图
从这些实例的伏安特性曲线可以看出，即使隧道结的两个极板间存在电位差，也有隧穿电流产生的，也就是上面的模型中只计算了电子行进波隧穿势垒前后的位能为0或相同是不全面的，不具有普遍代表性。实际上，在具体实验中，两个极板分别带有一定的电位E0、E1，在伏安特性测定时，不断的变化电位差U(x)，因此必须对理论计算模型进行改进，才能真实的反映实验相关条件，如图4所示。
图4.不对称势垒隧穿示意图
因此，我们在分析计算时，就该按照图4(a)-(c)中的情况，采用WBK方法进行分析，也许会没有相关解析解。但我们可以对行进波隧穿上述三种改进后的势垒情况进行定性的简单分析。对于图4(a)、(b)、(c)势垒，电子行进波的波函数在入射区、势垒区和出射区都会有解，也就是有分布的几率，因此，我在上篇博文提出的量子隧道“永动机”的原型设计，如图4(d)，从隧穿效应的原理来讲，是没有问题的。
当然永动机绝对是一种荒谬的想法，因为它违背了能量守恒原理。但通过隧道效应的原理分析，得到了可能存在的线索，因此我们不得不反思：
量子隧穿效应是否像量子力学分析的那样真实存在！
这就是我写本文和上篇文章的目的所在！
由于本文涉及到的超导等知识，不是我的本专业内容，如有表达或认识不当，请即时指出，谢谢！
http://blog.sciencenet.cn/blog-378615-666752.html
上一篇：隧道效应：量子“永动机”可以实现？
下一篇：答天德劝慰：比咱们聪明的人多的是
3 杨正瓴 ddsers ccgoodluck
该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (16 个评论)
- [16]ccgoodluck
- 用百度查“超导”，或者买超导的书或者学术期刊进行研究
或者到中科院超导研究所访问学习
相信您会受益匪浅
学习无止境，活到老，学到老
获得成功的秘诀是您可以让您敬仰的在世的中国物理学元老级物理学家带您
相信您能踩在巨人的肩膀上获得更加辉煌的成功
真的，这是我悟出的绝密，一般人我是不会透露的，呵呵，供您参考！ - 博主回复(2013-3-17 13:07)：物理学不是我目前工作研究内容，由于科学院的专业人员研究吧。我目前的研究是生物医学工程和新能源材料，是为社会创造价值的事业，我认为对于我的人生更有价值。
- [15]曹天德
- 我还是劝劝你，不要对自己不懂的东西发表议论，特别是不要坚持。例如，看到你在12楼(不是14楼)的回复，就知道你对我在1楼的评论没有看懂。例如，你是如何理解“它们的隧道效应发生在“有效化学势”（受电压影响）附近”这句话的？“也可以有多粒子效应”这点我已在3楼有句话对此做了解释，请问是3楼的哪一句？......所以啊，不要以为自己真的发现了量子力学和相对论的破绽，没有那样的好事啊，因为比咱们聪明的人多的是，切记切记！
- 博主回复(2013-3-6 22:05)：涉及的问题较多，写一篇博文回复您！
- [14]guanluzhu
- 正在学习约瑟夫森效应相关内容（赵凯华的《量子物理》），一直看不明白，想到你们这里取取经，争论得也是一头雾水。
请问约瑟夫森结跟电容器充放电有什么本质区别吗？ - 博主回复(2013-3-6 22:07)：隧穿效应电极两端面加的是直流电压。
- [13]曹天德
- 可你的图4是关于能量的，这就不对了。好了，我不多说了。
- 博主回复(2013-3-6 12:13)：因为用能量更广义一点，因为关于隧穿的资料，把势垒统称为“能隙”，对于博文中涉及的实例N-I-N，处于金属极中的电子，具有的平均总能量由势能和动能构成，具体由分布函数决定。
- [12]曹天德
- 金属-绝缘体-金属，构成一个结、不是两个，称为N-I-N结。结的势能是可以随位置变化的，常见的是简化的。
- 博主回复(2013-3-6 11:56)：这点你是专家，我的原意是金属电极，谢谢更正！N-I-N伏安是在不同电压下测量的，因此图4 中对于势垒不对称的要求是合理的。
- [11]曹天德
- 你原来的话让我觉得你不诚实、特别是公开撒慌，使我气愤，因而我接下来的评论带上了情绪。你现在承认图4是你画的，那好，请你重温我在3楼的评论，你的“能量不守恒”的说法等等都是错的。
- 博主回复(2013-3-6 11:37)：我把诚信看得非常重要，打字错误导致的误解，我十分抱歉。
对于你【3】楼的解释，我认为单体量子隧穿是解释总体效应的基础，对此我持保留意见。
还有一点，金属做为两结，也有隧穿效应（本博文开头第一段已经描述），你注意到没有。因此我的布点，是将两个结上电子具有的势能作为初始和终止状态，这才比较合理。
- [10]曹天德
- 再次提醒你，你在7楼的回复：“图3单电子行进波隧穿势垒模型，用于图4典型的结伏安特性的解释，是目前的标准知识，我的问题是针对这个模型的。相关网页链接都给你做好了，你自己先好好看看，有意见向百度投诉。”你的回复有几个关键词：典型、标准知识、向百度投诉。你得先提供正规期刊出处以证明这几个关键词用得合理，然后才看看有没有资格评论。
- 博主回复(2013-3-6 11:16)：对于图3核实了一下：百度图片搜索已经更新了链接在我的博文，原始出处，你可以用being（必应）搜索“约瑟夫森效应”第一张图是你本人，第二排第三张就是本文图3，出处可以查看到。搜索链接如下：
http://cn.bing.com/images/search?q=%e7%ba%a6%e7%91%9f%e5%a4%ab%e6%a3%ae%e6%95%88%e5%ba%94&FORM=HDRSC2# - 博主回复(2013-3-6 10:58)：在【7】楼回复中，2打成为3，3打成了4，因此出现了问题。在【7】已更正为：“图2单电子行进波隧穿势垒模型，用于图3典型的结伏安特性的解释”，对此我深表歉意！
图4出现于个人解释部分，文字描述已经表明，是我个人提出的改进观点。
图3你可以通过百度图片搜索“约瑟夫逊效应”找到这张示意图。
- [9]曹天德
- 请你提供图3图4正规期刊出处！不要避重就轻、不要撒慌！
- [8]曹天德
- 你不仅是民科，而且是不怀好意地传播伪科学的民科。对你非打不可！我刚百度了一下，百度上的图3图4就来自你的博文，还有哪里有，请你提供正规期刊出处。等会我再做评说。
- 博主回复(2013-3-6 10:12)：原形毕露了吧，气急败坏了吧！
你的骂街功夫，两年前我早就领教过了，只能表明，你不仅学术水平低，而且人品也低。
标准知识才能进入教材和百科，文章只是阶段性研究的结果用于交流，正确与否需要验证和公认，不能作为标准答案，这是常识你懂不懂！
学术对战我应战，骂街我会删除的。
- [7]曹天德
- 我得逃跑，快逃！否则就会神经错乱的！
- 博主回复(2013-3-6 10:19)：更正一下：“图3单电子行进波隧穿势垒模型，用于图4典型的结伏安特性的解释”应为：
“图2单电子行进波隧穿势垒模型，用于图3典型的结伏安特性的解释”
以上为打字错误。 - 博主回复(2013-3-5 22:08)：闹够了吧，折腾也是没用的。
图3单电子行进波隧穿势垒模型，用于图4典型的结伏安特性的解释，是目前的标准知识，我的问题是针对这个模型的。相关网页链接都给你做好了，你自己先好好看看，有意见向百度投诉。
- [6]曹天德
- “只要E1>E0”，笑话，为什么没有E1<E0？如常都有...回到上一楼：其一，“有解”，你解过吗？你的解是对吗？哪些人支持你的“解”？其二，“实际实验中也存在这样的实验条件”，这就是胡说八道啦！在隧道实验中，隧道结两边的超导体中的电子能级都是一系列的，怎么是一个能级？超导是宏观现象，电子的行为岂是你控制（在指定能级上隧穿）的？你何时实践了控制？文章发表于何处？
- 博主回复(2013-3-5 17:32)：我是在讨论违背能量守恒的情况，E1>E0，就要发生。只要发生隧穿理论就有问题，就站不住脚，这就叫对一个理论进行科学基础分析。
- [5]曹天德
- 你的思维存在许多缺陷，可能你还自以为是洞察力强。别的说不完，如今且说你在3楼的回复。你说：“电子行进波在E1的区域是有解的，实际实验中也存在这样的实验条件。。。”其一，“有解”，你解过吗？你的解是对吗？哪些人支持你的“解”？其二，“实际实验中也存在这样的实验条件”，这就是胡说八道啦！在隧道实验中，隧道结两边的超导体中的电子能级都是一系列的，怎么是一个能级？超导是宏观现象，电子的行为岂是你控制（在指定能级上隧穿）的？你何时实践了控制？文章发表于何处？
- 博主回复(2013-3-5 17:20)：现在我对你的理解力，归纳能力深表怀疑。E1指的是一种情况，可以是高于E0电子所处实际的能级，只要E1>E0，隧穿效应就会有这样的结果。
- [4]曹天德
- 这里也有客观决定主观的问题。你这种思维方式，是可以“改变”所有理论的，可是，你怎么就不想想，为什么“破绽”都被你发现了，有这样的好事？（有关隧穿，我在3楼已说得够清楚了，你只是主观想想就否定了，算你狠，我无语。）
- 博主回复(2013-3-5 12:07)：补充一点，我的思维不怪异，很正常，区别在于考虑问题时，我喜欢将各种可能的情况都要进行思考，这可能是我追求完美的性格导致的，并且说话也容易找对方的不足之处，多有得罪，请不必介意。
- 博主回复(2013-3-5 12:01)：对于我感兴趣的事，我可以坚持不懈，例如氢原子的稳定性问题，关注思考二十年不放弃，而且不被他人思想禁锢。
我坚信一个正确的理论，应该对可能的情况进行全面合理解释的，如果出现矛盾，说明这个理论不完善，甚至可能被证伪。
- [3]曹天德
- 讨论隧穿有两种方法，单体理论（量子力学）和多体理论。在单体理论中，只能研究一定能量的电子的隧穿，不存在从E0到E1的问题。在多体理论中，对直流，有delta函数的出现，也保证了能量守恒（但有涨落）；对交流，有光子参与，但总能量仍然守恒。你若仍有疑问，则请看看书，多找找自身的理解问题。
- 博主回复(2013-3-5 11:34)：你讲得有道理，但我提出的问题，图4a)中的三种情况，从原理的角度是没有问题的。电子行进波在E1的区域是有解的，实际实验中也存在这样的实验条件，因此不能回避。
- [2]曹天德
- 你说：...(假设）低能极（左）上的电子E0，...，就会有电流并可以驱动电机W做功，...，这个过程是可以无限循环下去的，电流和功率W就会不断的输出。
我说：（假设）你吃草，...，你就是牛，...，我是在对牛弹琴的，时间和精力就会无端的浪费。 - 博主回复(2013-3-4 14:56)：你这样说话就不讲道理了哈！
第一两问题没有可比性；
第二，是根据隧穿效应的原理进行推导的结果，没有假定，除非隧穿效应只是一个假定。
- [1]曹天德
- 我已宣布将停止我的博克，但看到你与文老师的争论，我还是给你做一次解释，就这一次呵！隧道结两边的超导体，它们的隧道效应发生在“有效化学势”（受电压影响）附近，两边的电子能级都是一系列的，不能由你来指定，隧穿时，有从高能到低能的、也有从低能到高能的，遵循一定的几率分布，不是单个隧穿事件，使得宏观上能量守恒。但是，微观上可以有能量涨落、也可以有多粒子效应，你所看到的书上的都是简化的计算。
- 博主回复(2013-3-4 12:25)：天德，不必停止博客，你是讲专业、讲知识，也还是讲道理的。
隧道结两过载流子的能量当然是由分布波函数决定的，我只是提出一种情况，从低能到高能的隧穿，来说明我提出的问题。
用单量子过程来解释，可能会出现问题。你用大量粒子的统计也许能掩盖一些矛盾。
但从电子的运动行为来讲，量子力学的描述是不能解决其不能自圆其说的内在困难的。
No comments:
Post a Comment