超导体的单电子隧道效应

L.Solymar,Chapman & Hall, Londo《超导电性·物理基础》，科学出版社，北京，1981。2100433B

电子-内部结构模型图通常把两块金属电极中间夹一层很薄的绝缘层(厚度为10厘米的数量级)的结构叫做隧道结。根据量子力学原理，电子可以通过这样薄的绝缘层。在隧道结两端有电压()时，能够产生足够大的可观测的电流()。这是隧道效应的一种。隧道电流的大小除与绝缘层的厚度有很大关系外，还与两个电极中电子态密度有关。电子态密度的特征会影响隧道结的伏安特性曲线()的形状。

当两个电极都是正常金属N时,在不太高的电压（低于 1伏）范围内（如图2中N-I-N情况）,()是一条直线。它说明，在这个范围内，正常金属的电子态密度是一个与能量无关的常量。

超导体的单电子隧道效应

若电极是超导体，()曲线就复杂些。超导微观理论预言，超导体中单电子的态密度。这里 2墹是超导体的能隙宽度。当温度远低于超导体的临界温度时，对于一个电极是超导体S的隧道结,当<墹时除了在能隙上的激发电子可以通过结外，在能隙下的大量电子都不能通过结，因而电流很小；而当塼墹时能隙下的电子可以通过结，故电流陡然上升（如图2中S-I-N 情况）。对于二个电极都是超导体的隧道结，()曲线在处有一个极大值，在处有一个极小值，而在后电流陡然上升(如图2中S-I-S情况）。利用这些特点，可以很准确地测量超导体的能隙值。人们曾用这个方法研究了墹 随温度的变化关系,证明BCS理论预言的这个关系是正确的。

当一个电极是正常金属而温度接近0K时，根据理论可以证明，隧道结()曲线的微商正比于另一个电极的态密度。人们用这个原理成功地测定了几十种超导体的态密度。实验表明,BCS理论的态密度公式基本上是正确的。但同时发现，对于某些超导体,特别是铅,实验的态密度曲线上有一些很小但不容忽视的附加结构。这在BCS理论的态密度公式中是不存在的（见超导微观理论）。

进一步的超导理论证明，当电子－声子耦合较强时，电子态密度曲线上就会出现有效声子态密度(ω)引起的附加结构（见强耦合超导体）。由这种具有声子结构的电子态密度曲线可以计算出有效声子谱(ω)。这里，是电子－声子耦合强度，(ω)是声子态密度。到目前为止，人们已测定了数十种超导体的(ω)。这对于检验超导理论以及研究超导体临界温度问题都有重要的意义。

由于超导体单电子隧道效应的重要性，它的创始人I.加埃沃和半导体隧道二极管的发明者江崎玲於奈以及超导体约瑟夫森效应的发现者共同获得了1973年的诺贝尔物理学奖。

在上述隧道效应中，电子的能量并不改变，属于弹性隧道过程。在穿越绝缘层时，电子也可以与其他粒子相互作用而改变能量,这就是非弹性隧道过程。当绝缘层表面存在某些杂质分子时，电子可以激发它们的转动能级或振动能级。此时,在隧道电流中,能量高于激发能的电子数会减少，使()曲线在=处产生很微小的转折。这种转折在()的二次微商曲线上表现为一个尖峰──谱线,人们将它称为非弹性电子隧道谱(IETS)。为了减小热运动所造成的谱线宽度以及提高灵敏度，IETS通常都是在4.2K以下的温区内测得的。利用超导体作电极，可进一步提高灵敏度。IETS与红外光谱和喇曼光谱同样可用来辨认分子的种类，比较起来，它的灵敏度更高些，可对极微量的杂质分子进行检测。空气污染分析和痕量物质分析是它的重要应用领域。

美国固体物理学家加埃沃在超导电性研究中取得的一个重要成就，1960年完成。加埃沃把两块金属电极中间夹一层很薄的绝缘层(10—7厘米数量级)的结构叫做隧道结。根据量子力学原理，电子可以通过这样薄的绝缘层，当给隧道结两端加电压时就能产生电流。对于一个电极是超导体的隧道结，当所加电压可使电子能量超过其能隙宽度时，在温度远低于超导体临界温度的情况下，电子可以通过结，从而使电流陡然上升。这便是超导体的单电子隧道效应。加埃沃由于这一发现而与半导体隧道二极管的发明者江崎玲於奈以及约瑟夫森共同获得1973年获诺贝尔物理学奖 。

人们发现一些宏观量，例如微颗粒的磁化强度，量子相干器件中的磁通量等亦有隧道效应，称为宏观的量子隧道效应。早期曾用来解释纳米镍粒子在低温继续保持超顺磁性。来人们发现Fe－Ni薄膜中畴壁运动速度在低于某一临界温度时基本上与温度无关。于是，有人提出量子理想的零点震动可以在低温起着类似热起伏的效应。从而使零温度附近微颗粒磁化矢量的重取向，保持有限的驰豫时间，即在绝对零度仍然存在非零的磁化反转率。宏观量子隧道效应的研究对基础研究及实用都有着重要的意义，它限定了磁带、磁盘进行信息贮存的时间极限。量子尺寸效应，隧道效应将会是未来电子器件的基础，或者它确立了现存微电子器件进一步微型化的极限。当电子器件进一步细微化时，必须要考虑上述的量子效应。