凝聚态物理的方法与工具
输运测量
/ TRANS-port MEZH-er-ment /
如果你想了解一根藏在墙里的水管,又不想砸墙,你也许会从一端注入已知量的水,量一量需要多大压力、另一端又流出多少。输运测量做的就是它的电学版本:让一股受控的电子电流穿过材料,测量随之建立起来的电压,再从电荷和热流动得多么顺畅,读出内部电子正在做什么。
最简单的做法,是把样品接上导线,通入稳定的电流,再测量它两端的电压;两者之比给出电阻,而追踪这个电阻随温度变化或随外加磁场变化的情况,就能透露许多信息。在侧向加一个磁场会产生霍尔效应,它能数出有多少载流子,以及它们是带负电的电子还是带正电的空穴。人们也可以推动热而非电荷,去测量热导率,或测量温差所产生的电压。
它之所以重要,是因为这些流动正是我们最终希望材料去做的事情——输送电与热——而它们的突然变化往往预示着某种深刻的转变,比如电阻在进入超导时骤降为零。诚实的提醒是:输运报告的是整个样品行为的平均结果,所以一道偶然的裂纹、一个脏的接触点、或一片不纯的区域,都可能冒充成本征的物理;洁净的样品与细致的接线就是一切。
一边冷却水银样品、一边不停测量它的电阻,实验者会在某个明确的温度看到电压突然塌缩到零——这正是宣告超导出现的经典输运信号。
电阻随温度的变化:最早揭示超导的那项日常输运测量。
永远用四个独立的接触点,而不是两个:两线测量会把导线和接触点本身的电阻也混进去。四点法用一对接点通电流、用另一对接点测电压,这样你量到的才是样品真正的电阻。
另见