超导

磁通涡旋

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用力搅一杯咖啡,会冒出一个小漩涡,一根整齐旋转的水柱,中心还有一个安静的小洞。在第二类超导体内部,磁场能以恰好这种漩涡的形状穿透进来——一根细细的、打着旋的电流管,缠绕着一个让磁场得以溜过的细芯,而材料的其余部分则毫发无伤。

磁通涡旋就是这样一根穿过超导体的微观管道,它携带一个磁通量子——一份固定的单元,绝不会是它的某个零头。它的核心是一个极小的、正常的、非超导的芯,那里配对被局部地压制住;绕着这个芯,一股超导电流像下水口边的旋涡那样循环流动,把磁场限制在那一条细细的通道里。当许多涡旋挤进来时,它们彼此相斥,安顿成一张整齐的三角形网格,就像漂在水面上排成规则图案的木头。

它之所以重要,是因为涡旋正是强场超导体得以存活下来的方式,而管理它们是超导磁体和导线的核心工程难题。最关键的误解,是以为磁场不知怎地浸透了整块材料;事实上它被完全挤进这些彼此隔开的管道里,让管道之间的一切保持着完美的超导。麻烦在于,如果涡旋能自由移动,就会把能量漏掉,所以必须把它们锚在晶体的瑕疵上。

借助一种特殊的显微镜,物理学家能直接拍下第二类超导体里的涡旋——它们呈现为一张整齐的三角形点阵,每个亮点都是一个穿出表面的磁通量子。

磁通涡旋排成规则的三角形阵列,每个恰好携带一个磁通量子。

一根涡旋里的磁通量,由一个涉及电子对电荷的普适自然常数定下,所以任何第二类超导体里的每一根涡旋,携带的都是同一份微小而固定的量——这直接证明了电流是由对、而非单个电子来携带的。

又称
Abrikosov vortexfluxon磁通涡旋