超導
磁通量子化
/ fluks kwon-tih-ZAY-shun /
錢是以一枚枚整幣的形式存在的——你可以有一分、兩分,卻絕不會有半分。穿過一個超導環的磁場,遵循著一條驚人相似的規則。你不能困住任意的數量;磁場只能以整份的、不可再分的小包出現,彷彿大自然只用一種固定的硬幣來鑄造磁。
磁通量子化的意思是,穿過一個閉合超導迴路的總磁通,永遠是一個微小固定單元(叫做磁通量子)的整數倍。原因在於所有庫珀對共同騎乘的那一道共享的量子波:要讓這道波繞環一圈平滑地接上、不自相矛盾,被它圈住的磁通就只能取這些特殊的值。環自身的循環超導電流會自動調節,好讓總量恰好湊成整數個量子。
它之所以重要,是因為它是最直接的證據之一,表明超導是一個鋪展在整個、你能握在手裡的物體上的單一量子狀態——把量子行為放大到了宏觀。測量磁通量子的大小揭示了一件深刻的事:它取決於電子電荷的兩倍,這是電流由對來攜帶的硬實驗證據。一個常見的混淆,是以為各處的磁場都被量子化了;其實只有穿過那個閉合迴路的總磁通才如此。
1961年,兩個團隊測量了一個微小超導圓柱中被俘獲的磁通,發現它只以固定的台階出現——而台階的大小表明,涉及的電荷是兩個電子、而非一個,證實了庫珀配對。
被俘獲的磁通以固定的台階跳變,其大小證明超導電流由電子對攜帶。
單個磁通量子小得驚人——約為一千萬億分之二特斯拉乘以一平方米(約2×10⁻¹⁵特斯拉·平方米)——這正是為什麼第二類超導體裡每根渦旋恰好攜帶一個,也是為什麼哪怕穿過一個小環,都需要很多很多個。
又稱
另見