超導體的單電子隧道效應，人們曾用這個方法研究了墹 隨溫度的變化關係,證明BCS理論預言的這個關係是正確的。
基本介紹
- 中文名：超導體的單電子隧道效應
- 作者：管惟炎、李宏成、蔡建華、吳杭生
內容簡介,參考書目,
內容簡介
電子-內部結構模型圖通常把兩塊金屬電極中間夾一層很薄的絕緣層(厚度為10厘米的數量級)的結構叫做隧道結。根據量子力學原理，電子可以通過這樣薄的絕緣層。在隧道結兩端有電壓()時，能夠產生足夠大的可觀測的電流()。這是隧道效應的一種。隧道電流的大小除與絕緣層的厚度有很大關係外，還與兩個電極中電子態密度有關。電子態密度的特徵會影響隧道結的伏安特性曲線()的形狀。
圖1：電子-內部結構模型圖
當兩個電極都是正常金屬N時,在不太高的電壓（低於 1伏）範圍內（如圖2中N-I-N情況）,()是一條直線。它說明，在這個範圍內，正常金屬的電子態密度是一個與能量無關的常量。
超導體的單電子隧道效應
圖2：超導體的單電子隧道效應
若電極是超導體，()曲線就複雜些。超導微觀理論預言，超導體中單電子的態密度。這裡 2墹是超導體的能隙寬度。當溫度遠低於超導體的臨界溫度時，對於一個電極是超導體S的隧道結,當＜墹時除了在能隙上的激發電子可以通過結外，在能隙下的大量電子都不能通過結，因而電流很小；而當塼墹時能隙下的電子可以通過結，故電流陡然上升（如圖2中S-I-N 情況）。對於二個電極都是超導體的隧道結，()曲線在處有一個極大值，在處有一個極小值，而在後電流陡然上升（如圖2中S-I-S情況）。利用這些特點，可以很準確地測量超導體的能隙值。人們曾用這個方法研究了墹 隨溫度的變化關係,證明BCS理論預言的這個關係是正確的。
超導體的單電子隧道效應
超導體的單電子隧道效應
超導體的單電子隧道效應
超導體的單電子隧道效應
當一個電極是正常金屬而溫度接近0K時，根據理論可以證明，隧道結()曲線的微商正比於另一個電極的態密度。人們用這個原理成功地測定了幾十種超導體的態密度。實驗表明,BCS理論的態密度公式基本上是正確的。但同時發現，對於某些超導體,特別是鉛,實驗的態密度曲線上有一些很小但不容忽視的附加結構。這在BCS理論的態密度公式中是不存在的（見超導微觀理論）。
進一步的超導理論證明，當電子－聲子耦合較強時，電子態密度曲線上就會出現有效聲子態密度(ω)引起的附加結構（見強耦合超導體）。由這種具有聲子結構的電子態密度曲線可以計算出有效聲子譜(ω)。這裡，是電子－聲子耦合強度，(ω)是聲子態密度。到目前為止，人們已測定了數十種超導體的(ω)。這對於檢驗超導理論以及研究超導體臨界溫度問題都有重要的意義。
在上述隧道效應中，電子的能量並不改變，屬於彈性隧道過程。在穿越絕緣層時，電子也可以與其他粒子相互作用而改變能量,這就是非彈性隧道過程。當絕緣層表面存在某些雜質分子時，電子可以激發它們的轉動能級或振動能級。此時,在隧道電流中,能量高於激發能的電子數會減少，使()曲線在=處產生很微小的轉折。這種轉折在()的二次微商曲線上表現為一個尖峰──譜線,人們將它稱為非彈性電子隧道譜(IETS)。為了減小熱運動所造成的譜線寬度以及提高靈敏度，IETS通常都是在4.2K以下的溫區內測得的。利用超導體作電極，可進一步提高靈敏度。IETS與紅外光譜和喇曼光譜同樣可用來辨認分子的種類，比較起來，它的靈敏度更高些，可對極微量的雜質分子進行檢測。空氣污染分析和痕量物質分析是它的重要套用領域。
參考書目
L.Solymar,Chapman & Hall, Londo《超導電性·物理基礎》，科學出版社，北京，1981。
