6.11 Keadaan Tunasuper dan Kesan Josephson

Laman Utama ／ Bab 6: Alam Kuantum

I. Fenomena dan persoalan utama

Apabila sesetengah logam atau seramik disejukkan cukup rendah, rintangan elektriknya turun ke tahap tidak terukur, dan arus boleh mengalir berkeliling dalam gelung tertutup selama bertahun-tahun tanpa susut. Medan magnet luaran diusir daripada jasad bahan; hanya dalam keadaan tertentu ia menembusi sebagai tiub fluks yang sangat halus dan dikuantumkan. Jika lapisan penebat yang amat nipis diletakkan di antara dua bahan tunasuper, arus mantap tetap boleh mengalir tanpa voltan dikenakan; apabila disinari frekuensi radio (RF), voltan akan terkunci bertingkat, membentuk anak tangga yang jelas.

Tanda-tanda ini mentakrifkan keadaan tunasuper dan kesan Josephson: rintangan sifar, penentangan magnet sempurna (atau kemasukan melalui tiub fluks kuantum), arus tunasuper tanpa voltan, dan voltan bertangga di bawah RF. Persoalannya: mengapa penyejukan sahaja sudah seakan “menghilangkan geseran”? Mengapa medan magnet hanya menembusi sebagai tiub berkota tetap? Bagaimana arus boleh merentas penebat, dan mengapa gelombang mikro luaran mengunci tindak balas menjadi tangga yang teratur?

II. Tafsiran menurut Teori Filamen Tenaga (EFT): pasangan elektron terkunci fasa, penutupan saluran susut tenaga, dan “relay koheren” merentas halangan

1. “Pasangkan” dahulu, kemudian “jahit” fasa agar bersambung
   Dalam Teori Filamen Tenaga (EFT), elektron ialah lilitan gelung tunggal yang stabil; lapisan luarnya berinteraksi dengan “lautan tenaga” dan kekisi kristal. Apabila suhu turun dan getaran kekisi melemah, sesetengah bahan menyediakan koridor ketegangan yang lebih licin untuk elektron saling mengekori; dua elektron dengan arah gelung bertentangan pun berpasangan. Pemfaktoran pasangan ini membatalkan atau merendahkan banyak saluran susut tenaga. Dengan penyejukan lanjut, fasa lapisan luar pelbagai pasangan sejajar dan merebak menjadi rangkaian sefasa yang merentas seluruh sampel—bayangkan sebagai “permaidani fasa” yang mengalir bersama.
2. Mengapa rintangan sifar: penutupan kolektif saluran susut tenaga
   Rintangan biasa muncul apabila arus “bocor” tenaga ke persekitaran melalui saluran kecil yang banyak—kekotoran, fonon, kekasaran sempadan, dan sebagainya. Setelah “permaidani fasa” terbentang, kedut setempat yang memecah koheren sukar terbentuk, maka ambang untuk menyusutkan tenaga naik mendadak. Selagi pemacu tidak merobek permaidani, arus tidak lagi membocorkan tenaga, lalu terukur sebagai rintangan sifar.
3. Mengapa penentangan magnet dan pengkuantuman fluks: fasa enggan dibelit sewenang-wenangnya
   Bagi mengekalkan kelicinan di bahagian dalam, permaidani fasa menentang belitan medan magnet. Maka sempadan bahan menjana arus permukaan yang menolak medan keluar (penentangan magnet sempurna). Pada sesetengah bahan, medan dibenarkan masuk sebagai tiub halus; setiap tiub sepadan dengan fasa yang mengelilingi tepat bilangan pusingan bulat—itulah pengkuantuman fluks. Tiub-tiub ini boleh dilihat sebagai “teras filamen berongga yang menanggung ketegangan”; fasa mengalir mengelilinginya, tiub saling menolak, lalu tersusun membentuk corak geometri.
4. Mengapa wujud arus Josephson: relay koheren merentas celah sempit
   Letakkan dua “permaidani fasa” pada kedua sisi penebat atau logam lemah yang amat nipis. Zon tengah berada dalam keadaan hampir kritikal—belum sepenuhnya koheren, tetapi hampir. Dalam “celah pintu” sempit ini, fasa pasangan boleh menyambut-serah secara koheren: bukan satu zarah melanggar halangan, tetapi kedua sisi menjahit jambatan fasa yang pendek merentas jurang.

• Apabila “rentak” kedua sisi sepadan, jambatan memindahkan fasa secara stabil: terhasil arus tunasuper tanpa voltan (mod arus terus Josephson).
• Apabila “rentak” berbeza—akibat voltan dikenakan atau pemacuan RF—beza fasa berubah sekata atau terkunci pada rentak luar; jambatan mengepam arus tunasuper mengikut tempo tertentu, menampakkan tingkah laku arus ulang-alik dan anak tangga terkunci frekuensi.

5. Mengapa tidak sentiasa sempurna: kecacatan dan koyakan membuka semula saluran tenaga
   Arus yang terlalu besar, medan yang terlalu kuat, suhu yang meningkat, atau kecacatan yang “memaku” fasa akan menarik vorteks kuantum bergerak. Saat vorteks merayap, permaidani terkoyak menjadi rentetan liang kecil yang melepaskan tenaga. Akibatnya muncul arus genting, puncak susut tenaga, dan tindak balas tak linear.

III. Senario lazim

1. Dua keluarga bahan tunasuper:

• Satu keluarga mengusir hampir semua medan, dan apabila melepasi ambang, ia hilang tunasuper secara menyeluruh.
• Keluarga lain membenarkan fluks menembusi sebagai tiub halus; di bawah medan kuat, vorteks berbaris membentuk tatasusun namun masih membawa arus. Perbezaan ini mencerminkan sejauh mana permaidani fasa toleran terhadap belitan magnet.

2. Gelung tunasuper dan arus berpanjangan:
   Dalam gelung tertutup, bilangan lilitan fasa mestilah bulat; jika permaidani tidak terkoyak, arus berkekalan lama. Apabila fluks tertutup bukan pendarab bulat, sistem akan meloncat ke keadaan bulat terdekat, menghasilkan tahap mantap bertingkat.
3. Sambungan terowong dan pautan lemah:
   Dalam “celah amat nipis”, arus tunasuper mengalir tanpa voltan; di bawah RF, voltan berperingkat, menandakan beza fasa terkunci kepada rentak luar.
4. Gelung selari: interferometer:
   Dua jambatan fasa yang membentuk gelung kecil akan mengalami anjakan fasa berbeza di bawah fluks luaran. Arus tunasuper kemudian berayun berkala dengan fluks, membolehkan pengukuran fluks berkepekaan tinggi.

IV. Cap tanda boleh diperhati

• Rintangan jatuh mendadak ke sifar: Di bawah suhu ciri, rintangan menjunam.
• Penentangan magnet sempurna atau jejaring tiub fluks: Medan diusir, atau menembusi sebagai tiub halus yang membentuk corak berkala.
• Arus tunasuper tanpa voltan dan arus genting: Arus mengalir sendiri hingga satu had, kemudian terlerai.
• Anak tangga di bawah RF: Dengan RF, voltan terkunci bertingkat, mengesahkan penguncian rentak beza fasa.
• Keberkalaan interferens tetap: Dalam gelung kecil, arus berayun berkala dengan fluks pada tempoh tetap.
• Pemakuan dan gelinciran vorteks: Kecacatan boleh mengurangkan susut tenaga tetapi menaikkan arus genting; apabila vorteks tergelincir, puncak susut muncul.

V. Perbandingan sisi-ke-sisi dengan huraian arus perdana (fiziknya sama)

• Arus perdana menghuraikan pengembunan pasangan elektron melalui parameter tertib makroskopik (amplitud kompleks berfasa). Rintangan sifar datang daripada aliran fasa tanpa susut; penentangan magnet timbul kerana fasa menolak belitan; pengkuantuman fluks dan vorteks berpunca daripada syarat lilitan bulat.
• Teori Filamen Tenaga menyampaikan gambaran yang sama dengan bahasa yang lebih “berbahan”: pasangan elektron = lilitan yang beriringan; permaidani fasa = rangkaian sefasa seluruh sampel; rintangan sifar = penutupan kolektif saluran susut; pengkuantuman fluks = kecacatan topologi di sekitar teras filamen berongga berketegangan; Josephson = jambatan fasa pendek dijahit merentas celah hampir kritikal. Hukum kuantitatif dan fenomena sepadan; perbezaannya hanya pada naratif geometri yang dipautkan kembali kepada kisah “filamen dan lautan”.

VI. Ringkasnya

Keadaan tunasuper bukan bererti elektron “tiba-tiba menjadi sempurna”, tetapi: memasangkan elektron, kemudian mengunci fasa beribu-ribu pasangan menjadi satu permaidani bersama:

• Di bawah pemacu ringan, permaidani menutup saluran bocor tenaga → rintangan sifar.
• Permaidani enggan dibelit sesuka hati → mengusir medan magnet atau hanya membenarkan vorteks kuantum menembusi.
• Di antara dua permaidani, dengan celah hampir kritikal, boleh menjahit jambatan fasa yang mengangkut arus tanpa voltan dan, di bawah rentak luar, berlangkah menghasilkan tangga voltan.

Satu baris untuk diingati: pasangkan → kunci fasa → relay merentas halangan—seluruh “keajaiban” keadaan tunasuper dan kesan Josephson berpunca daripada tiga langkah ini.