成功觀測約瑟夫森接面的熱逆流
- 上線日期：2013/2/8 上午 12:00:00
- 資料來源：奈米科學網
義大利研究人員首次成功測量出熱約瑟夫森效應(thermal Josephson effect)，該效應發生在當熱傳輸於兩超導體的間隙時。根據1965年的理論預測，在不等溫的兩超導體的間隔處，會有部分熱能從冷端流向熱端。這項突破性的實驗結果可望促進熱電路的發展。
約瑟夫森接面是指兩超導體間以一非超導材料或空隙隔開，1962年英國物理學家Brian Josephson證明庫柏對(Cooper pair)能穿隧通過此接面，並於一年後在實驗中成功觀測到。庫柏對為成對電子，在超導體內流動時並無電阻，由於所有的庫柏對皆處於相同量子態，因此可由相同的波函數描述其行為。穿隧電流則與間隔兩端的波函數相位差有關，即使沒有外加電壓，庫柏對仍可藉穿隧效應通過接面，形成超導電流。
當施加電壓於約瑟夫森接面時，有三種不同過程會影響接面間電流。為首的是上述無外加電壓時也存在的約瑟夫森超導電流，其次是庫柏對分開成為一般電子並在外加電壓影響下形成的穿隧電流；最後則是前兩項過程發生交互作用衍生的「干涉電流」(interference current)。
1965年，加州大學聖地牙哥分校的Kazumi Maki與Allan Griffin計算了施加熱偏壓的約瑟夫森接面，發現部分熱能會從冷端傳導至熱端。一般金屬是靠電子由熱端傳導熱能至冷端，過程中電子與原子發生散射導致晶格振動而加熱。超導體內卻不是這麼回事──庫柏對傳輸時不會散射。因此，對於熱偏壓下的約瑟夫森接面，超導電流不會貢獻熱流，不過電子穿隧及干涉電流皆可傳導熱，其中穿隧電流總是將熱由高溫帶往低溫處，干涉電流有時卻會將熱從冷端攜至熱端，這是因為干涉電流的行為取決超導波函數。
位於比薩的Nanoscience and Scuola Normale Superiore的Francesco Giazotto與Maria Jose Martinez-Perez是第一個成功測量到此效應的研究團隊。他們製作了一個包含兩處約瑟夫森接面的超導體量子干涉儀(SQUID)，其半邊的溫度較另一邊稍高。改變通過SQUID的磁通量會影響約瑟夫森接面的波函數。研究人員發現接面間的熱流會在兩極值間變化，證明了干涉電流確實可將熱量從冷端攜至熱端。不過，總熱流並不會因此轉變方向，因為熱流乃是由穿隧效應電流主宰。
該研究團隊目前正思考此結果的潛在應用。Giazotto認為未來有可能藉此設計出熱電晶體或熱整流器等熱電路元件。詳見Nature | doi:10.1038/nature11702。
原始網站: http://physicsworld.com/cws/article/news/2013/jan/07/heat-flows-backwards-across-josephson-junction
譯者:劉家銘(逢甲大學光電學系)
責任編輯:蔡雅芝
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