再有人说“穿墙术”是传说故事,你可以这样反驳他

在物质的界面上 , 常会出现奇特的效应 。其中 , 最奇异的就是隧道效应 。
当电子在两种物质间遇到绝缘层面时 , 似乎它应该被阻止 , 然而 , 在一定的条件下 , 它却能在“瞬间”神不知鬼不觉地穿越过去 , 就好像这面“绝缘墙”瞬间为它打开了一条“时空隧道” 。这个现象被称为“隧道效应” 。
再有人说“穿墙术”是传说故事,你可以这样反驳他
文章图片

文章图片
隧道效应示意图
从20世纪30年代开始 , 就有人预言有隧道效应的存在 , 但在当时 , 这些现象只发生在半导体和普通的导体中 。虽然早在 1911年就发现了超导现象 , 但是人们普遍认为 , 在超导体界面上 , 不可能有隧道现象出现 。之所以认为不可能 , 是受到了由巴丁、施里弗和库珀所建立的BSC(这是三人名字第一个字母的组合)理论的影响 。这个理论认为 , 超导电流中的电子是成对出现的 , 即有名的“库珀对” 。由于“库珀对”的限制 , 不可能有隧道现象产生 。
但是 , 年仅22岁的英国剑桥大学实验物理学研究生布瑞恩·大卫·约瑟夫森不这样看 。1962年 , 他正是以BSC理论为基础 , 大胆地做出了预言 , 认为即使在超导情况下 , 也能有隧道效应发生 。约瑟夫森之所以有这一重要发现 , 部分地归功于他两位的老师 。
再有人说“穿墙术”是传说故事,你可以这样反驳他
文章图片

文章图片
约瑟夫森70岁时的照片
1957年 , 约瑟夫森考入英国剑桥大学三一学院学习数学 , 他以优异成绩读完数学II后 , 改学物理专业 , 这是成名物理学家所惯常的做法 。这位聪慧又有些害羞的学生很快地引起老师们的注意 。偶然间 , 剑桥的大考官、物理学家尼古拉斯·库尔托看到了他的一份答卷 , 库尔托惊奇地问道:“这个叫约瑟夫森的家伙是谁?他竟然把数学理论演绎得像刀切牛油那样游刃有余!”当时 , 约瑟夫森还只是一个物理学二年级的学生 。库尔托所看到的 , 正是他这时所发表的一篇关于穆斯堡尔效应的论文 。在这篇论文中 , 约瑟夫森指出了在这一领域中一些尚未发现的关键问题 。
从三一学院物理系本科毕业后 , 约瑟夫森来到蒙德实验室 , 即卡文迪许实验室的旧址 。他在这里读研究生 , 师从著名物理学家布瑞恩·皮帕德 。皮帕德对这个小伙子也印象深刻 。他说 , 那时给这个小伙子上课 ,“还真是有些紧张 , 因为我的每一句话都不能有错 , 否则课后 , 他会立刻向我提出来 。”正是皮帕德提醒约瑟夫森 , 让他关注当时加埃沃的隧道实验 。
再有人说“穿墙术”是传说故事,你可以这样反驳他
文章图片

文章图片
卡文迪许实验室的旧址
接着 , 他的另一位老师费尔·安德森在所开出的超导体理论系列课程中 , 也提出在两块超导体之间有可能存在隧道效应 , 他鼓励学生在课下思考这个问题 , 试着写出点什么 。约瑟夫森不但完成了这份作业 , 还把它做了整理 , 作为一篇论文正式发表出来 。
从这篇论文的理论计算中 , 约瑟夫森发现了超导体导电的非线性规律 , 同时也证明超导体内的电子同样存在奇特的隧道穿越行为 。当在两片超导体之间夹上一片绝缘层时 , 形成超导体—绝缘层—超导体的“三明治”夹层结构时 , 超导电子完全可以穿越绝缘层 , 瞬间从一种超导体“跳跃”到另一种超导体中 。1962年6月8日 , 他完成这篇论文 , 在安德森的建议下 , 把这篇论文投寄到了《物理评论快报》 。