PDF《细节与专家——Bardeen 马失前蹄？》

・46卷(2017 年)

10 期 细节与专家――Bardeen马失前蹄? 林志忠? (台湾交通大学物理研究所及电子物理系) 2017-07-16收到 ? email: jjlin@mail.

nctu.edu.tw DOI: 10.7693/wl20171007 Josephson对Bardeen说: 你详细计算过了吗?没有吧?我计算过了! Cohen总结说: 他们两人似乎说着不同的语言. 在《准晶体发现者 Shechtman 给年轻科学家的忠告》(《物理》杂志(北京)2017年第46卷第6期)一文 中,笔者写了这几句话: Shecht- man 的坚持是有其学养依据的,因 为他认为Pauling虽然是一位当代最 伟大的(美国)化学家,却并不是电 子显微镜(术)专家.他斩钉截铁地 说,Pauling 闯进了别人的学术专业 领域,所以做出了不够专业(外行) 的错误判断. 这种初出茅庐的无名 年轻研究员与已经功成名就的 大师 之间的对垒故事,还可以举出 一例,就是 Josephson 隧道结(Jo- sephson junction) 的故事.Joseph- son 隧道结是一种 超导体―绝缘 体―超导体 三层结构,中间的绝 缘层(通常是金属氧化物,如氧化 铝,但是也可以用普通金属取代), 厚度必须在几纳米以下,才可以产 生量子穿隧现象――对参与配对的 费米能级附近的电子而言,薄绝缘 层形成了一个位能屏障. 文前点出的那句话 你详细计 算过了吗?没有吧?我计算过了! (Did you calculate it?No?I did!) 是1962 年9月于英国伦敦举行的第

8 届国际低温物理会议上,Brian D. Josephson 与John Bardeen 的论辩中 的精彩一句 1) .那一年,22 岁的 Josephson是剑桥大学二年级的研究 生,54 岁的 Bardeen 则刚在

1956 年 获得了他的第一个诺贝尔物理学奖 (发明晶体管),而且他的超导体理 论(Bardeen-Cooper-Schrieffer theory, 简称BCS theory)也已经在1957年堂 皇发表.此时期的 Bardeen 意兴风 发,被公认为是该时代国际上最受 尊崇的最重量级固体物理学家之一. 这时候,Philip W. Anderson, Sir Nevill F. Mott和John H. van Vleck等 三人,还不知道再隔15年之后,他 们也会因为对磁性和无序 系统的电子结构的研究而 荣获诺贝尔物理学奖2) . Josephson 和Bardeen 之争论的焦点在于超导体 ―绝缘体―超导体隧道结 的 穿隧电流(tunneling current) ,或称 屏障电 流(barrier current) 问题.Bardeen 根据他的理 论图像思路和采用的数学 处理方式,得到的结论 是超导 电子对(Cooper pairs) 不 可能 成双成对 地穿隧通过薄绝 缘体(或金属)层.他相信,穿透进 入绝缘层中的电子波函数的形式, 一定就像正常态金属内的 单电 子 波函数的形式,而绝对不可能 保有超导态的电子对波函数形式. 换句话说,他认为隧道结的电流 来自于单电子穿隧(single-particle tunneling)过程.Josephson则是立定 在BCS 理论的架构内(! ),但使用 了Gor'

kov 理论的非局域性(nonlo- cal)思路和数学形式,从详细的计算 中得出结论说,超导电子对会越过 超导体M绝缘体(金属)界面,出现在 1) 邀请Josephson和Bardeen前来面对面辩论宏观量子现象(macroscopic quantum phenomena)的该场会议主持人,是时任美 国哈佛大学的Paul Martin教授.无私邀请巨擘与新秀平起平坐,就事(学术问题)论事,各抒己见,是欧美优良学术传统的 开放精神!那天,研讨会上Josephson独力应战Bardeen.A. Brian Pippard(Josephson的博士论文指导教授,一位实验物理 学家)和Anderson(已结束在剑桥大学的访问,返回美国)两人都未出席.Bardeen欣然赴约,并不觉得跟一位研究生公开论 辩谁的理论模型和计算结果才是正确的,有何丝毫不妥! 2) 关于 Anderson 等三人的获奖工作,请参阅林志忠《普渡琐记― ―从2010 年诺贝尔化学奖谈起》(《物理》杂志(北京) 2010年第39卷第11期)一文.该文中也提及Bardeen等人发明电晶体(晶体管)的故事. 图1 年轻时的Brian Josephson(摘自网络) ・ ・