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超导、超流等是一种重要的宏观量子现象,而玻色-爱因斯坦凝聚不仅是宏观的量子现象,更是理解这些宏观量子现象的关键。早在玻色-爱因斯坦凝聚理论出现初期,它就对超流、超导理论的研究起到重要的推动作用。随后超导领域漫长而激动人心的理论与实验研究,以及近些年来关于玻色-爱因斯坦凝聚的突破性进展更加明确的展示了它们之间存在着本质性的关联。
本文主要研究了超导电性、超流现象与玻色-爱因斯坦凝聚之间的关系,并分别对超导电性相关特征与理论、超流现象及理论和玻色-爱因斯坦凝聚理论和实验做了较为详细的论述。本文的主要工作包括以下几个方面的内容:
1.对超导、超流,以及BEC三个量子现象的实验与理论等做了全面阐述,并对三者之间的相关性作了初步讨论。在对国内外关于三种量子现象实验与理论研究的历史、现状以及发展趋势的分析与综合的基础上,指出:超导与超流的机制是相同的,其差别仅在于系统是否带电;玻色子的玻色-爱因斯坦凝聚与费米子对的玻色-爱因斯坦凝聚本质上也是一致的,差别仅在于是否存在配对机制。超导态在于电子费米子对(即库柏对)的BEC凝聚;3He超流是经由配对的“准玻色子”的BEC凝聚的结果,而4He超流则是一般的BEC凝聚所致。
2.概括总结了超导电性的基本性质,并对于由于库柏对遂穿引起的Josephson效应以及两个Josephson结耦合的情形作了较为详细的分析与计算,导出了通过两结的Josephson电流表达式,以及两结两边的相位差随时间演化和两个相位差之间的相互制约关系的方程及数值结果。双结串联耦合情形表现较复杂,当加电压时,φ1、φ2随时间t的演化近似地以周期振荡。φ1~φ2之间呈现近似的线性关系。但不加电压时,φ1、φ2与t关系及φ1~φ2关系都表现复杂。仅当φ1-φ2为π的整数倍时出现类似的直流约瑟夫森效应,此时S1中的超导电流与S3中的相等,且为最大约瑟夫森电流Jc。
3.以BEC理论为基础研究了超流的物理机制,并对4HeⅡ超流的爬行膜现象、“喷泉”实验、4HeⅡ旋转实验作了分析,表明超流不仅是一种系统量子化的宏观现象,而且从物理上讲,超导与超流的机制相同,差别仅在于系统是否带电。3He超流实验以及碱金属原子气(87Rb,23Na,7Li和1H)的BEC实验也表明,虽然这些原子是由费米子组成,但是经由配对等机制,它们的费米子总数(质子、中子和电子)是偶数,因此成了玻色子,遵从玻色统计。在极低温度下,它们应导致BEC并表现出超流行为。
4.利用非对角长程序的概念,总结出超导、超流与BEC之间有着如图5-1的关系,即BEC是因,超导、超流等宏观量子现象是果。BEC是理解宏观量子现象的关键所在。