第6.11節：超導與約瑟夫森效應

目錄 ／ 第6章：量子領域

一、現象與困惑

把某些金屬或陶瓷冷到足夠低時，電阻突然掉到測不出的水準，電流可以無衰減地繞圈流動多年；外加磁場被材料整體“擋在外面”，只允許以細細的量子化磁管穿入；薄薄一層絕緣擋片夾在兩塊超導之間，居然能在不加電壓時流過一個穩定電流，加上高頻光後還會出現一格一格的“臺階電壓”。
這些是超導與約瑟夫森效應的標誌：零電阻、完全抗磁（或部分穿透的磁通量子）、無壓超電流、射頻“臺階”。困惑在於：為什麼一冷就“無摩擦”？為什麼磁場只能以“定額小管”方式進入？為什麼隔著絕緣層還能“通電”，而且還會被外部微波“卡拍”出整齊臺階？

二、EFT 物理解讀：相位鎖定的電子對，關閉散能通道，跨障“相干接力”

1. 先把電子“結對”，再把相位“縫合”
   在能量絲理論裡，電子是一個單環的穩定纏繞體，外層與能量海及晶格相互作用。降溫後，晶格的抖動減弱，會在某些材料裡為電子提供一條張度更順的互相“追隨”走廊，兩隻電子以相反的環向取向“結伴”——這就是電子對。結對後，許多散能管道被抵消或壓低。繼續降溫，電子對之間的外層相位開始彼此對齊，最後鋪開一張跨越整個樣品的共相位網路，可把它想成一張**“流動的地毯”**。
2. 為什麼“零電阻”：散能通道被集體關上
   普通電阻來自“電流把能量散給環境”的細小通道：雜質、聲子、邊界粗糙等都會開門收能。相位地毯一旦鋪開，破壞相干的局域皺褶難以形成，散能門檻陡然升高；只要驅動不大到撕裂地毯，電流就不往外漏能，於是觀測到“零電阻”。
3. 為什麼“排磁”與“磁通量子化”：相位不許隨便扭
   相位地毯要想在體內保持平順，就不能被磁場隨意扭曲。於是材料邊界會自發生出表面回流，把外來的磁場壓在表面，不讓它深入（所謂完全抗磁）。在某些材料裡，允許磁場以一根根細管穿透，每一根都對應相位繞行一個固定整數圈；這就是磁通量子化。你可以把這些細管看成**“張度空心絲核”**，周圍的相位抱著它們環繞，它們彼此排斥，能結陣成幾何花紋。
4. 為什麼“約瑟夫森電流”：跨小障的相干接力
   把兩塊相位地毯隔著一層很薄的絕緣或弱金屬，中間區域整體仍處於“將臨界未臨界”的減臨界狀態。在這樣的“細門縫”裡，電子對的相位可以相干接力：不是單個粒子用力撞過去，而是兩側的相位在門縫裡縫出一條短短的相位橋。

• 當兩側“拍子一致”時，這條橋能穩穩傳遞相位，即使不加電壓也會有靜態的超電流流過（直流約瑟夫森）。
• 當兩側“拍子有差”，比如施加電壓或外部射頻驅動，相位差會勻速或被鎖定地變化，相位橋便以特定節律“抽送”超電流，表現為交流或被“卡拍”的臺階（交流與射頻鎖定）。

5. 為什麼不是到處都完美無阻：缺陷與撕裂會開門
   當電流過大、磁場太強、溫度升高，或者材料裡有“釘住”相位的缺陷，量子化渦旋會被拉著移動，地毯被撕出一串串小孔，能量通過這些孔散掉，於是出現臨界電流、峰值損耗與非線性回應。

三、典型場景

1. 超導體的兩類表現

• 一類材料幾乎把磁場全部擋在外面，超過某一強度就整體失效；
• 另一類允許磁通以細管進出，強場下渦旋成陣列，仍能攜流。這兩類差異，對應相位地毯對磁場扭曲的不同容忍方式。

2. 超導環與持久電流
   在閉合回路裡，相位繞行必須是整數圈；只要不被撕裂，電流就長期存在。把磁通調到不整圈，會自動跳到最鄰近的整圈，出現一格一格的穩定狀態。
3. 隧道結與弱連接
   在“極薄門縫”中，無壓即可流超電流；給它外加微波，電壓會出現整齊臺階，表明相位差被外部“拍子”鎖住。
4. 並聯環：干涉器
   把兩條“相位橋”圍成一個小環，外部磁通會讓兩條橋的相位加減不同，超電流呈現週期性起伏，可作為極靈敏的磁通計。

四、可觀測指紋

• 電阻突然跌零：溫度降到某一點，電阻陡降。
• 完全抗磁或磁通管陣列：磁場被排斥，或以細管、有規則的幾何花樣進入。
• 無壓超電流與臨界電流：不加電壓也有電流，超過某個值才“破功”。
• 射頻“臺階”：外加射頻時出現一層層穩定電壓臺階，說明相位差被鎖拍。
• 干涉週期：小環上電流隨磁通呈週期性起伏，週期固定不變。
• 渦旋的“釘紮與滑移”：有缺陷時損耗減小但臨界電流提高；渦旋被拉動時出現耗散峰。

五、與主流對表（說的是同一件事）

• 主流把“電子對的凝聚”寫成一條宏觀序參量（一條帶相位的複振幅），零電阻來自無耗散的相位流，抗磁來自相位拒絕被扭，磁通量子化與渦旋來自繞行必須成整數圈。
• EFT 把這張序參量換成更有質感的圖：電子對＝結伴的纏繞體，相位地毯＝跨樣品的共相位網路，零電阻＝散能通道被集體關上，磁通量子化＝空心絲核中的拓撲缺陷，約瑟夫森＝在減臨界門縫上縫成短相位橋。兩種語言對現象和數量關係一致，我們只是把幾何敘事落回了“絲與海”的材質敘事。

六、小結

超導不是“電子突然完美”，而是把電子配成對，再用相位把千千萬萬對“縫”成一張地毯：

• 地毯在弱驅動下關閉了散能通道，於是出現零電阻；
• 它不許被隨意扭曲，於是把磁場擋在外面，或只許以量子化渦旋的方式穿入；
• 在兩塊地毯之間，只要中間處在減臨界的細縫狀態，就能縫出相位橋，無壓也能輸運，受外部“拍子”還能步調一致地跳出臺階。

一句話記住：先“結對”，再“鎖相”，最後跨障“接力”——超導與約瑟夫森的全部魔法都來自這三步。