超導(dǎo)體的單電子隧道效應(yīng)

L.Solymar,Chapman & Hall, Londo《超導(dǎo)電性·物理基礎(chǔ)》，科學(xué)出版社，北京，1981。2100433B

電子-內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(shù)量級)的結(jié)構(gòu)叫做隧道結(jié)。根據(jù)量子力學(xué)原理，電子可以通過這樣薄的絕緣層。在隧道結(jié)兩端有電壓()時，能夠產(chǎn)生足夠大的可觀測的電流()。這是隧道效應(yīng)的一種。隧道電流的大小除與絕緣層的厚度有很大關(guān)系外，還與兩個電極中電子態(tài)密度有關(guān)。電子態(tài)密度的特征會影響隧道結(jié)的伏安特性曲線()的形狀。

當(dāng)兩個電極都是正常金屬N時,在不太高的電壓（低于 1伏）范圍內(nèi)（如圖2中N-I-N情況）,()是一條直線。它說明，在這個范圍內(nèi)，正常金屬的電子態(tài)密度是一個與能量無關(guān)的常量。

超導(dǎo)體的單電子隧道效應(yīng)

若電極是超導(dǎo)體，()曲線就復(fù)雜些。超導(dǎo)微觀理論預(yù)言，超導(dǎo)體中單電子的態(tài)密度。這里 2墹是超導(dǎo)體的能隙寬度。當(dāng)溫度遠低于超導(dǎo)體的臨界溫度時，對于一個電極是超導(dǎo)體S的隧道結(jié),當(dāng)<墹時除了在能隙上的激發(fā)電子可以通過結(jié)外，在能隙下的大量電子都不能通過結(jié)，因而電流很??；而當(dāng)塼墹時能隙下的電子可以通過結(jié)，故電流陡然上升（如圖2中S-I-N 情況）。對于二個電極都是超導(dǎo)體的隧道結(jié)，()曲線在處有一個極大值，在處有一個極小值，而在后電流陡然上升(如圖2中S-I-S情況）。利用這些特點，可以很準(zhǔn)確地測量超導(dǎo)體的能隙值。人們曾用這個方法研究了墹 隨溫度的變化關(guān)系,證明BCS理論預(yù)言的這個關(guān)系是正確的。

當(dāng)一個電極是正常金屬而溫度接近0K時，根據(jù)理論可以證明，隧道結(jié)()曲線的微商正比于另一個電極的態(tài)密度。人們用這個原理成功地測定了幾十種超導(dǎo)體的態(tài)密度。實驗表明,BCS理論的態(tài)密度公式基本上是正確的。但同時發(fā)現(xiàn)，對于某些超導(dǎo)體,特別是鉛,實驗的態(tài)密度曲線上有一些很小但不容忽視的附加結(jié)構(gòu)。這在BCS理論的態(tài)密度公式中是不存在的（見超導(dǎo)微觀理論）。

進一步的超導(dǎo)理論證明，當(dāng)電子－聲子耦合較強時，電子態(tài)密度曲線上就會出現(xiàn)有效聲子態(tài)密度(ω)引起的附加結(jié)構(gòu)（見強耦合超導(dǎo)體）。由這種具有聲子結(jié)構(gòu)的電子態(tài)密度曲線可以計算出有效聲子譜(ω)。這里，是電子－聲子耦合強度，(ω)是聲子態(tài)密度。到目前為止，人們已測定了數(shù)十種超導(dǎo)體的(ω)。這對于檢驗超導(dǎo)理論以及研究超導(dǎo)體臨界溫度問題都有重要的意義。

由于超導(dǎo)體單電子隧道效應(yīng)的重要性，它的創(chuàng)始人I.加埃沃和半導(dǎo)體隧道二極管的發(fā)明者江崎玲於奈以及超導(dǎo)體約瑟夫森效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)者共同獲得了1973年的諾貝爾物理學(xué)獎。

在上述隧道效應(yīng)中，電子的能量并不改變，屬于彈性隧道過程。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(dāng)絕緣層表面存在某些雜質(zhì)分子時，電子可以激發(fā)它們的轉(zhuǎn)動能級或振動能級。此時,在隧道電流中,能量高于激發(fā)能的電子數(shù)會減少，使()曲線在=處產(chǎn)生很微小的轉(zhuǎn)折。這種轉(zhuǎn)折在()的二次微商曲線上表現(xiàn)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(qū)內(nèi)測得的。利用超導(dǎo)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(rèn)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(zhì)分子進行檢測?？諝馕廴痉治龊秃哿课镔|(zhì)分析是它的重要應(yīng)用領(lǐng)域。

美國固體物理學(xué)家加埃沃在超導(dǎo)電性研究中取得的一個重要成就，1960年完成。加埃沃把兩塊金屬電極中間夾一層很薄的絕緣層(10—7厘米數(shù)量級)的結(jié)構(gòu)叫做隧道結(jié)。根據(jù)量子力學(xué)原理，電子可以通過這樣薄的絕緣層，當(dāng)給隧道結(jié)兩端加電壓時就能產(chǎn)生電流。對于一個電極是超導(dǎo)體的隧道結(jié)，當(dāng)所加電壓可使電子能量超過其能隙寬度時，在溫度遠低于超導(dǎo)體臨界溫度的情況下，電子可以通過結(jié)，從而使電流陡然上升。這便是超導(dǎo)體的單電子隧道效應(yīng)。加埃沃由于這一發(fā)現(xiàn)而與半導(dǎo)體隧道二極管的發(fā)明者江崎玲於奈以及約瑟夫森共同獲得1973年獲諾貝爾物理學(xué)獎 。

人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀量，例如微顆粒的磁化強度，量子相干器件中的磁通量等亦有隧道效應(yīng)，稱為宏觀的量子隧道效應(yīng)。早期曾用來解釋納米鎳粒子在低溫繼續(xù)保持超順磁性。來人們發(fā)現(xiàn)Fe－Ni薄膜中疇壁運動速度在低于某一臨界溫度時基本上與溫度無關(guān)。于是，有人提出量子理想的零點震動可以在低溫起著類似熱起伏的效應(yīng)。從而使零溫度附近微顆粒磁化矢量的重取向，保持有限的馳豫時間，即在絕對零度仍然存在非零的磁化反轉(zhuǎn)率。宏觀量子隧道效應(yīng)的研究對基礎(chǔ)研究及實用都有著重要的意義，它限定了磁帶、磁盤進行信息貯存的時間極限。量子尺寸效應(yīng)，隧道效應(yīng)將會是未來電子器件的基礎(chǔ)，或者它確立了現(xiàn)存微電子器件進一步微型化的極限。當(dāng)電子器件進一步細(xì)微化時，必須要考慮上述的量子效應(yīng)。