物理

2003年諾貝爾物理獎:「超」人獲獎

獲獎者:
阿比科索夫(Alexei A. Abrikosov),美國阿崗國家實驗室,俄國人;
金茲柏格(Vitaly L. Ginzburg),俄國列比德夫物理研究所,俄國人;
列吉特(Anthony J. Leggett),美國伊利諾大學,英國人。

撰文/宋宜真

物理

2003年諾貝爾物理獎:「超」人獲獎

獲獎者:
阿比科索夫(Alexei A. Abrikosov),美國阿崗國家實驗室,俄國人;
金茲柏格(Vitaly L. Ginzburg),俄國列比德夫物理研究所,俄國人;
列吉特(Anthony J. Leggett),美國伊利諾大學,英國人。

撰文/宋宜真

今年的諾貝爾物理獎,與量子物理領域的兩大「超」級特性有關,一個是大家已經耳熟能詳的「超導體」,另一個則是似乎有點玄妙的「超流體」。雖然這些令人目眩神馳的效應,在我們所處的巨觀世界中並不常見,不過,在某些特定的情況下,這兩種量子效應是可以察覺的。今年的諾貝爾物理獎,所頒發的就是在物質的超導性以及超流性做出特殊貢獻的人:阿比科索夫和金茲柏格建構出超導體的理論,而列吉特則對其中一種超流體做出解釋。這些現象都必須在極低溫下才會發生。

超導體:電子傳導時沒有阻力

我們知道,金屬在導電時,是利用電子在內部移動而產生電流,但是電子移動時會遇到阻力,這就是所謂的電阻。1911年,荷蘭物理學家開默林昂內斯(Heike Kamerlingh Onnes)成功製造出液態氦,並利用液態氦的低溫,將金屬冷卻到比絕對零度以上幾度。他發現,金屬的電阻在這麼低的溫度下竟然消失,也就是說,電子在這個情況下可以通行無「阻」,因而製作出超導體來,並於1913年獲得諾貝爾物理獎。


50年之後,闡釋這種現象的理論終於出現。這是由巴丁(John Bardeen)、古柏(Leon Cooper)和敘利弗(Robert Schrieffer)所提出的BCS理論。該理論提到,電子在超導體中,會形成一對對的電子對,稱為「古柏對」;而在低溫下,材料中帶正電金屬原子的結構會形成一個通道,古柏電子對便沿著這個通道均勻地流動,因而出現超導現象。氣體遇冷時會凝結出水滴,電流在極低溫下也會使電子「凝結」出電子對,因此電子成對的現象,可以冷凝的概念來思考。


這是第一種類型的超導體,其材料為金屬。它在超導的狀態下,要是外加磁場,電流便會被抵銷,因此要是磁場太大,超導性便會消失。


不過,第二種類型的超導體卻不會受磁場影響。這種超導體的材料未必是金屬,它能夠在強大磁場中,維持其超導特性,而BCS理論遇到這種超導體就束手無策了。


阿比科索夫就是因為成功解釋了這種現象而榮獲諾貝爾獎的。他在1950年代末期,提出一項新的理論,以波函數來描述超導體的行為。他透過數學的方式,描述超導體中產生的渦流,並解釋外加磁場如何沿著渦流的通道穿透超導體。除此之外,要是磁場增強,阿比科索夫也能夠預測這些渦流變大的細節;而一旦這些渦流的核心重疊,材料所具備的超導性便會消失。


對於研究這種新的超導材料來說,阿比科索夫的理論是項重大突破,並在新的超導體和磁鐵的研發分析上,仍是十分重要的工具。


另一位獲獎者金茲柏格,則是因為提供了阿比科索夫理論基礎而獲獎。他在1950年代初期與蘭道(Lev Landau,獲得1962年諾貝爾獎)提出的理論,是為了描述在當時所知道的超導體中,所具有的超導性和磁場的臨界強度。


第二種類型的超導體的應用廣泛,例如目前名噪一時的磁共振造影(MRI)技術,就必須採用第二種類型的超導體作為材料,因為MRI影像的解析度,與外加磁場的強度有關。


超流體:沒有阻力的液體

第三位獲獎者,也與「阻力」脫離不了關係,只不過這個阻力是發生在液體之中。在一般情況下,液體流動時原子之間會發生摩擦,因而出現阻力,而氦這種最輕的氣體,在極低溫凝結為液體時,卻會發生奇妙的變化。


氦在自然界中以兩種形式存在,最常見的是4氦(擁有兩個質子和兩個中子),另一個較為罕見的,則是重量較輕的同位素3氦(擁有兩個質子和一個中子)。常溫下,這兩種原子的氣體沒有多大差異,它在絕對溫度4度時,會凝結成液體,可作為超導磁鐵的冷凍劑。


但要是溫度再降得更低,這兩種液態同位素的特性便會產生劇烈的變化。此時,量子物理的效應現身,液體內部的阻力消失,液態氦變身為超流體。不過,3氦和4氦變身的溫度並不相同,並且展現出許多迷人的特性。


4氦造就出三位諾貝爾獎得主。發現4氦超流體的人,與做出解釋的人,都先後獲得了諾貝爾獎(不過,卻是解釋的人先得,發現的人晚了16年才得獎)。


那麼,發現和解釋3氦的人也都要得獎囉?由於3氦在自然界遠比4氦罕見,其變身為超流體的溫度也比4氦低了1000倍,因此,3氦的超流體一直要到1970年代才正式現身,而發現的三位物理學家也獲得了1996年的諾貝爾物理獎。


今年,成功解釋3氦超流體行為的理論物理學家列吉特也獲獎了。1970年代他在英國索塞克斯大學從事研究,他的理論成功地幫助實驗物理學家解釋實驗結果,並建構出一套有系統的解釋,對於粒子物理和宇宙學也有莫大的幫助。


3氦是如何變為超流體的呢?它也有一對原子對,可以與古柏電子對作比較,只不過古柏電子對的磁場方向是相反的,而3氦超流體的原子對則以相同的方向旋轉。由於旋轉方向相同,因此原子對便會帶有磁性,其特性便遠較4氦複雜。也就是說,3氦超流體的原子對在不同的方向,便會展現不同的特性(亦即具有異向性)。經由磁性測量的方式,他們發現這種超流體的特性十分複雜,能同時展現出氣液固三種相態,而三種像態的混合比例,則與外界的壓力、溫度和磁場有關。


目前,3氦也成為研究其他現象的工具,探討混沌或微擾的狀態下,原子的排列情形。


我們可以發現,實驗物理學家和理論物理學家,正一前一後地在微觀世界中做出貢獻,超導物質所應用的領域,包括醫學檢驗用的磁共振造影,以及物理領域的粒子加速器。而超流體的相關知識,則能夠讓我們更深入了解物質在最低能量、最有秩序的狀態下,所展現出來的行為。在今日這個高度依賴電性的社會,究其根源都要感謝他們在基礎科學上的貢獻。恭喜他們!




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