宏观量子效应 （Macroscopic Quantum Effect）,窦宜领 （0310178） 刘 晨 （0310193）,,宏观粒子效应是指大量粒子组成的宏观系统呈现出的整体量子现象于是，显然的就会有以下疑问：,,根据量子理论的波粒二象性学说，微观实物粒子会象光波水波一样，具有干涉、衍射等波动特征， 形成物质波（或称德布罗意波）但日常所见的宏观物体，虽然都是由服从这种量子力学规律 的微观粒子组成，但是为什么没有宏观量子效应呢？ 什么样的情况下又会产生宏观量子效应呢？,,之所以一般情况下没有显现，这是由于其空间尺度远远大于这些微观粒子的德布罗意波长，微观粒子量子 特性由于统计平均的结果而被掩盖了因此，在通常的条件下，宏观物体整体上并不出现量 子效应然而，在低温降低或粒子密度变大等特殊条件下，宏观物体的个体组分会相干地结 合起来，通过长程关联或重组进入能量较低的量子态，形成一个有机的整体，使得整个系统 表现出奇特的量子性质下面介绍一些宏观量子效应,原子系统的玻色-爱因斯坦凝聚 液氦超流性 超导体的约瑟夫逊效应 宏观量子隧道效应 磁性的宏观量子效应 薛定谔“猫”和 EPR佯谬,原子系统的玻色-爱因斯坦凝聚,1924 年, 通过著名物理学家爱因斯坦的德文翻译，30 岁的印度物理教师玻色发表了今天 称之为 “玻色-爱因斯坦统计” 的第一篇文章。
接着, 爱因斯坦从根本上完善和发展了这项 工作 当他把玻色状态计数的思想应用到全同粒子组成的玻色原子理想气体时,从理论上预 言了“凝聚”的现象:在一个临界温度以下, 宏观数量的原子将突然凝聚到动量为零的单一量 子态上由于这时形成了宏观量子态，其热力学特性（如比容和比热）将出现非解析和不连 续的行为对这种由“平凡”原子组成的无相互作用系统在宏观尺度上会出现“非平凡”的 集体行为, 人们一直困惑不解直到五十年代中期, 杨振宁和李政道的工作才使得这个问题 得以最后澄清：这种非平凡性来自与体积和粒子数同时趋向无穷同时、保持密度不变的热力 学极限根据爱因斯坦的理论, 只有当组成理想气体的原子热运动的物质波（热波）波长（相当 于原子波包的平均宽度）与原子之间间距相比拟时, 原子波包才能相干地重叠起来, 形成一 种相干的宏观量子态-物质的第五态 在这种状态下, 个体原子的特性不能独立存在, 众多 原子的集体协同行为或宏观特性才是最重要的然而, 在通常的条件下，来自真空或其它环 境的自然界“噪音”，无时无刻不在扰动原子的运动, 它使得大量原子同时凝结在单一的量子 态上十分困难。
只有把系统冷却到尽可能低的温度，才有可能形成宏观量子态事实上, 由 于原子的热波波长与温度和原子质量的平方根成反比, 而原子质量很大, 在室温下热波波长 很短，与原子的间距相差几个数量级如果要在实验室中实现原子的玻色-爱因斯坦凝聚, 必 须把原子温度冷却到 µk 的数量级，这在没有发明激光冷却原子新技术以前几乎是不可能的,,实现原子系统的玻色-爱因斯坦凝聚的关键技术是八十年代中期后发展起来的激光冷却和原子阱囚禁技术在利用 和发展这些技术的基础上，1995 年 5 月，在美国联合天体物理实验室（JILA）的科学家 Weiman 和 Cornell 的小组把稀薄铷原子气体在密度为 2.5 × 1012 cm-3 时冷却到 0.17 kµ ，首次观测玻色- 爱因斯坦凝聚两个月以后，麻省理工学院 Ketterle 小组得到了更好的玻色-爱因斯坦凝聚体， 他们的冷却温度虽然只有 2 kµ ，但原子密度超过了 5 × 1014 cm-3玻色-爱因斯坦凝聚实现后，很自然要考虑物质波的相干输出放大问题：既然光波可以实 现它的受激辐射相干放大-激光，那么，对于原子的物质波而言，是否也可以类似地做到这一 点呢？在通常的情况下，原子物质波的波长太短了，多原子的整体波动特征并不明显。
只有玻色-爱因斯坦凝聚体的实现，才使的制备新一代物质波“光源”-“原子激光器”成为可能，,液氦超流性,在实现稀薄原子气体的玻色-爱因斯坦凝聚之前，典型的玻色-爱因斯坦凝聚现象是液氦超 流性 与稀薄原子气体不同的是，超流体中存在复杂的相互作用, 人们要仔细区分这类凝聚 现象是相互作用造成的, 还是由于全同粒子的统计引起的He-4 气体在 4.2 开时变成液体，再降低温度至Ｔλ =2.17 K时，它突然变成没有粘滞性的“超 流体”该温度称为λ相点，因为此时测量 He-4 的比热-温度曲线像希腊字母λ这是 1938 年苏联的卡皮察与美国的阿仑和迈斯纳两个研究组同时发现的几个月后，伦敦提出一个定 性解释：He -4 原子是由 2 个质子和 2 个中子形成的 He-4 原子核加上核外 2 个电子组成的， 这样 He-4 原子就是玻色子：任意交换两个原子，系统的量子态不变对于这样一个玻色子系 统，依照氦原子的质量和密度计算，玻色-爱因斯坦凝聚发生在温度为 3.3 开时，这同实验的 λ点 温度 2.17 开相近1941 年，苏联的著名理论物理学家朗道提出了氦-Ⅱ相的定量“二流体”理论。
他首次引入（或元激发）的新概念，具有一定能 量、质量和速度的“准粒子”， 描述系统基态因相互作用或温度激起的集体运动模式—比基 态能量高的激发态朗道认为，基态代表超流体，准粒子代表正常流体在温度 T 是绝对零 度时，不存在准粒子；在0
大量库柏对电子形成了超导体的基态，可产生类似于玻色-爱因斯坦凝聚的相变，形成具有整体关联的宏观量子态，出现具有零电阻特征的超导现象基于超导体的宏观量子特性，1962 年，英国物理学家约瑟夫逊预言，在夹有极薄绝缘层 的两块超导体间，不加电压时仍有超导电流会从一 块超导体流过绝缘层到另一块超导体如 果两端加电压 V，则有频率为 f=2eV/h 的交变电流通过这里 e 为电子电荷量，h 为普朗克常 数几个月之后这些预言均为实验所证实这种现象后来被称为“约瑟夫逊效应”从物理 上讲，这效应说明存在电荷为 2e 的载体，这就是库柏对， 当该库柏对由一个超导体穿过两 端电压为 V 的极薄绝缘层到另一块超导体时，该库柏对的能量差为 2eV，能量转化为频率， 量子论给出了合理的结果因此，约瑟夫逊效应是一个与库柏对有关的、典型的宏观量子现 象在实验室里，频率可以测量得非常精确，因而，可利用 V=hf/2e 确定电压作为电压标 准，其精确度可达 10-8 伏特宏观量子隧道效应,各种元素的原子具有特定的光谱线，如钠原子具有黄色的光谱线原子模型与量子力学已用能级的概念进行了合理的解释，由无数的原子构成固体时，单独原子的能级就并合成能带，由于电子数目很多，能带中能级的间距很小，因此可以看作是连续的，从能带理论出发成功地解释了大块金属、半导体、绝缘体之间的联系与区别，对介于原子、分子与大块固体之间的超微颗粒而言，大块材料中连续的能带将分裂为分立的能级；能级间的间距随颗粒尺寸减小而增大。
当热能、电场能或者磁场能比平均的能级间距还小时，就会呈现一系列与宏观物体截然不同的反常特性，称之为量子尺寸效应例如，导电的金属在超微颗粒时可以变成绝缘体，磁矩的大小和颗粒中电子是奇数还是偶数有关，比热亦会反常变化，光谱线会产生向短波长方向的移动，这就是量子尺寸效应的宏观表现因此，对超微颗粒在低温条件下必须考虑量子效应，原有宏观规律已不再成立电子具有粒子性又具有波动性，因此存在隧道效应近年来，人们发现一些宏观物理量，如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等亦显示出隧道效应，称之为宏观的量子隧道效应量子尺寸效应、宏观量子隧道效应将会是未来微电子、光电子器件的基础，或者它确立了现存微电子器件进一步微型化的极限，当微电子器件进一步微型化时必须要考虑上述的量子效应例如，在制造半导体集成电路时，当电路的尺寸接近电子波长时，电子就通过隧道效应而溢出器件，使器件无法正常工作，经典电路的极限尺寸大概在0．25微米目前研制的量子共振隧穿晶体管就是利用量子效应制成的新一代器件磁性的宏观量子效应,磁性宏观量子效应是物理学近十年来的重要理论和实验研究课题 近年来由于纳米材料制备技术、低温技术和磁探测技术诸领域的飞速发展，磁体系的宏观量子现象 无论在理论、实验还是技术应用方面都受到人们广泛的重视。
特别是随着磁学和磁性材料的研究 进入纳米领域，尺寸愈来愈小，该领域的研究更趋活跃 下页图表为不同尺寸磁性材料的物理性质和物理尺寸：,不同尺寸磁性材料的物理性质和物理尺寸,,,在足够低温度下的单畴磁性颗粒中，磁化矢量可以在由磁晶各向异性 或外磁场所形成的易磁化方向间发生宏观量子相干，或宏观量子隧穿磁宏观量子现象的研究 有助于人们对于量子力学的一些基本概念更深刻的理解 此外还对磁信息存储和量子计算机的研制有重要的指导意义 现在，理论研究表明， 采用如Fe8和Mn12这样的分子磁体建造基于Grover算法的致密、有效的记忆装置应 当 是可能的而，这种磁体的晶体性质还提供了一种放大自旋信号的 自然方法 下页有Mn12磁性分子示意图：,Mn12磁性分子示意图,,,图为Mn12分子磁体的量子磁滞回线，周期性的台阶反映了磁性的 宏观量子效应：,薛定谔“猫”和 EPR佯谬,虽然宏观相干性在通常状态下是很脆弱的，很难持久地保持，但在某些极端条件下， 大量电子的库柏对，能协调一致地处在单一的量子态上并实现宏观量子态的相干叠加，或使 得人们看到日常不存在的“死猫”与“活猫”的相干叠加薛定谔设想在一个封闭盒子里面有个放射源，它在每一秒时间内以1／2几率放射出一个粒子。
换句话说，按照量子力学的叠加性原理，一秒钟后体系处于无粒子态和一个粒子态的等几率幅叠加态一旦粒子发射出来，它将通过一个巧妙的传动机构将毒药瓶打开，毒气释放后会导致盒子里面的一只猫立刻死亡当然，如果无粒子的发射，这一切均不会发生，猫仍然活着现在要问：一秒钟后盒子里的猫是死还是活？既然放射性粒子是处于零和1的叠加态，那么这只猫理应处于死猫和活猫的叠加态这只似死似活、半死半活的猫就是著名的“薛定谔猫”其实就是“一只猫与放射原子关在一个盒子里”的理想实验让盒内整个系统处于两种态的叠加 |cat>=|e,死猫>+|g,活猫> 之中， 事实上，这种有背常理的“薛定谔猫徉谬”本质就是提问：为什么在通常情况下，不存在宏观物体量子效应（即宏观态的相干叠加）?,,二十世纪八、九十年代的系列研究工作，用量子退相干的观点，对薛定谔猫徉谬和宏观物体的退相干问题给出了初步的物理解答概括地说，组成宏观物体的微观粒子的无规运动，以及所处的环境的随机涨落，都会与宏观物体(薛定谔猫)的集体自由度纠缠起来随着环境的自由度或组成宏观物体的粒子数增多，与之 相互作用的薛定谔猫的集体自由度必出现量子退相干，使得薛定谔猫的量子相干叠加名存实亡。
通过具有许多内部自由度大分子干涉实验，有可能对这个基本问题的理解给出直接的实验检验。