Only Perception: 「永續電流」的研究最終驗證理論

2009-05-03

「永續電流」的研究最終驗證理論

Study of 'Persistent Currents' Finally Verifies Theory
http://www.physorg.com/news160142165.html

by Laura Mgrdichian, April 28th, 2009

(PhysOrg.com) -- 大約 20 年前，科學家發現電流有可能在一個以普通金屬所製造的環狀物中永無止盡地流動。你可能會想，這麼「舊」的發現想必已了解透徹，也不再引起今日研究者的興趣，不過，科學家們仍在研究這種現象。

在一個最近且格外成功的例子中，來自於史丹佛大學與科羅拉多大學丹佛分校的研究者完成了一項實驗，那證實了電流在普通（非超導體）金屬製成的環狀物中不斷流動行為的物理理論。

這項研究的領導研究者，史丹佛物理學家 Kathryn Moler 告訴 PhysOrg.com，"我甚至在 1997 年，當我加入史丹佛教職員行列之前，就開始考慮這項實驗了。那花了很長的時間讓儀器夠靈敏以便偵測電流，因為它們如此之小。"

該小組的研究標誌著這個理論首度被實驗證明到一個很高的等級。

"永續電流（Persistent currents）讓物理學家著迷好幾十年了，" 共同研究者 Hendrik Bluhm 表示，目前是哈佛大學博士後科學家。"不過驗證這種現象的定量實驗，因為偵測而不擾亂這種效應的困難性，而仍難以捉摸，相當於單一電子的微小電流繞著環行進。"

"我們的研究，超過了 30 個個別的環狀物，在其中我們利用一種掃描技術來克服某些挑戰，證明了與理論性預期充分一致。"

這些環非常小，每個直徑只在 1 到 2 微米之間，厚度則為 140 奈米。它們以高純度的金製成。每一個都經個別掃描，與過去其他小組所進行的永續電流實驗不同。他們所掃描的總數超過 1 千萬次。

這種掃描裝置是一具 SQUID（魷魚）顯微鏡。一具 SQUID（superconducting quantum interference device，超導量子干涉儀），能偵測超小磁場，一如那些環狀物中流動電流所產生的。

在普通金屬環狀物中的永續電流，其背後物理理論在部份上聲明：永續電流為所施加磁場的一種週期函數（periodic function），或一種重複的模式。這種電流的方向，以及它的振幅在環與環之間各異，因為這些環狀物並非完全相同。

理論也預測，當環狀物的溫度增加時，電流尺寸應當減小。

Bluhm 及其同僚能在實驗上驗證該理論的二部份。當他們使用 SQUID 顯微鏡測量時，為測得通量的振幅創造出一種圖形式表現，所產生的圖像與理論預測他們該見到的密切相符。振幅如何受到環狀物的溫度影響也與理論預測相一致，至少是在他們研究的有限溫度範圍內。

這項研究發表於 2009 3/30 的 Physical Review Letters 線上版。

※ 相關報導：

＊ Persistent Currents in Normal Metal Rings
http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.102.136802

Hendrik Bluhm, Nicholas C. Koshnick, Julie A. Bert,
Martin E. Huber, and Kathryn A. Moler
Phys. Rev. Lett. 102, 136802 (2009) [4 pages]
doi: 10.1103/PhysRevLett.102.136802