宏观量子现象

简介

超导体

宏观量子现象

macroscopic quantum phenomena

某些物质在极低温度下表现出来的宏观尺度上的量子效应。微观粒子（如电子、原子核等）的微观运动是量子化的，即其动量和能量不能连续取值，只能取某些允许的离散值。但在低温条件下，大群粒子的整体也可在宏观尺度上表现出量子效应，液态氦和超导体的许多特殊性质与宏观量子现象密切相关。

简介

液态氦的温度低于λ点后，会发生玻色-爱因斯坦凝聚，即大量氦原子凝聚到同一量子态（基态）中，成为高度有序的结构，宏观上表现出熵等于零，无粘滞性（即超流动性）；温度升高时，大量处于基态的氦原子又可激发到激发态（正常态），熵不等于零，有粘滞性。这种大量氦原子在整体上参与的量子过程是典型的宏观量子现象。另外，根据ΗeⅡ的二流体模型，同时存在超流流体和正常流体两部分，当流速较大时会产生涡流?此时超流流体环绕正常流体流动，这种宏观尺度上的环流强度是量子化的，也是宏观量子现象。

超导体

的温度低于临界温度后，费米面附近的两个动量和自旋方向均相反的电子可结合成库珀对（见超导电性的微观理论），库珀对可看成是准粒子——玻色子，它不受泡利不相容原理的约束，允许不同玻色子处于同一量子态中。大量库珀对凝聚到同一量子态（基态）中，构成了宏观尺度的超导凝聚体，可用一个宏观波函数来描述这个凝聚体的行为，这种宏观波函数与微观粒子的波函数一样具有量子性质。当两块超导体弱连接成为约瑟夫森隧道结时，结两侧超导凝聚体的宏观波函数间存在一定相位差，由于隧道效应，两者间互相关联并产生干涉（相位的干涉），从而引起约瑟夫森效应。对一个超导环，存在超导电流时，通过环面积的磁通量是量子化的，其值只能是Φ0＝h／2e的整数倍，Φ0称为磁通量子。对第二类超导体，当外磁场H满足Hc1＜H＜H c2时，同时存在超导态和正常态，此称混合态（见超导电性），超导态区中的超导电子环绕正常态区作涡旋运动，故又称涡旋态。这种涡旋超导电流产生的磁通量也是量子化的。磁通量子化是宏观量子现象的典型例子之一。