宏观量子效应

在宏观领域中表现出现的量子效应

宏观量子效应（Macroscopic Quantum Effect）是指在宏观领域中表现出现的量子效应。在超低温、高压等某些特殊条件下，由大量粒子组成的宏观系统会呈现出宏观量子效应。

定义

日常所见的宏观物体，虽然是由服从这种量子力学规律的微观粒子组成，但由于其空间尺度远远大于这些微观粒子的德布罗意波长，微观粒子量子特性由于统计平均的结果而被掩盖了。因此，在通常的条件下，宏观物体整体上并不出现量子效应。然而，在温度降低或粒子密度变大等特殊条件下，宏观物体的个体组分会相干地结合起来，通过长程关联或重组进入能量较低的量子态，形成一个有机的整体，使得整个系统表现出奇特的量子性质。

解释

我们知道组成物体的微观粒子如原子、电子，原子核等都具有量子特征，当在一定外界条件和内因作用下（如极低温、高压或高密度等条件下），所有粒子彼此相互结对，凝聚到单一的状态上，形成高度有序、长程相干状态，往往会表现出宏观量子效应。因为在这种高度有序的状态中，所有粒子的行为几乎完全相同。这时大量粒子的整体运动，就和其中一个粒子的运动一样。由于一个粒子的运动是量子化的，则这些大量粒子的运动就可表现出宏观量子效应来。

实例

在固体物理学中，有几个出现在宏观物体中的量子力学效应。例如，原子气体的玻色-爱因斯坦凝聚、超流性、超导电性和约瑟夫逊效应。

约瑟夫森效应

量子力学的穿透位垒的隧道效应可以产生宏观量子效应。对原子核来说，人们知道这种效应已经有许多年了，它的位垒是由于包围原子核的静电场引起的。现在举的例子中，位垒是指分隔两个导体的人工氧化层。在和位垒有关的现象中，一个有趣的例子是B．约瑟夫（B．Josephson）在1962年预言过的、第二年由P．w．安德森(P．W．Anderson)和J．罗厄尔(J．Rowell)实现的约瑟夫森效应。把氧化层夹在两个超导体之间时，就有电流通过这个夹合体。这个电流有两个成分：一个是连续的，即使没有电动势也会存在的成分，就象是普通超导体中的电流一样；另一个交流成分迭加在第一个电流上，仅当两个超导体之间存在电位差V时才会出现。第二个电流成分的频率为ν=2eV/h，它竞与构成结的材料无关！这种现象给出了一种已知V时测量e/h的新方法。反之，若e/h为已知时，就可测量V。这种现象非常可靠和精密，可用来规定电压的单位。此外，通过微小的超导金属管会发生磁通量量子化现象，也属于约瑟夫森效应。1961年，斯坦福大学和慕尼黑大学各自独立地观察到了这种现象。

特殊星体

一些特殊星体，如白矮星和中子星，也会表现出宏观量子效应。白矮星的质量是太阳质量的1.4倍，但比太阳的半径小100倍，约为103~106公里；和地球半径接近中子星的质量约为太阳的2倍，半径约为10公里，因此它们都是高度致密的类星体。前者的平均密度为106-108克/厘米3，后者高达 1 0. 1一10 1克/厘米3，比太阳内部的密度大得多。在这样高的密度下，白矮星中的电子和中子星中的中子都处于高度简并状态，它们产生的简并压力平衡了星体内强大引力，从而维持一个稳定状态。在白矮星中在一个低的温度和高密度下，这些高度简并的电子气体靠其自相互作用可形成束缚的电子对，出现长程相干的状态，产生超导永久电流，并在白矮星表面呈现出很强磁场。实验已证明白矮星表面磁场为106-107T,比太阳表面磁场（1T）大得多，并不断向外辐射能量和电磁波。就说明了白矮星内确实出现了凝聚，可能发生了宏观量子效应。

应用

对导电性质介于金属和绝缘体之间的材料——叫做半导体的研究，最后导致发明了晶体管。要取得这项成就，必须制备非常纯的锗。迄今为止，可能没有任何物质能象锗那样大量生产而又含如此少的杂质。巴丁(即后来发现解决超导性问题线索的同一个巴丁)，W．H．布拉顿(W．H．Brattain)和W．肖克利(W．Shockly)在贝尔实验室于1948年造出了第一个晶体管。晶体管是所有电子线路中极其普通的一个组成部分，它做的事情基本上和电子管做的一样：放大、整流、振荡等等，但它没有热电子发射丝。这在电子学中引起了一场真正的革命。没有晶体管，人们就不能建造现代的计算机，也不能把人送到月球上去。由于晶体管使人们能制造计算机并改变了我们的通讯手段，因而它已探深地影响了人类的文明进程。

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