S5.2 Experimental Verification of the Aharonov- Bohm effect S5.3 The Abaronov-Casher effect在线视频

下边就来讲一下

AB效应的实验

刚提过这个论文一发表

物理界哗然

有的人认为这很有意思

有的人说根本是胡扯

根本是BEH决定的

你这A根本不起作用

那么实验呢

1959年发表的文章

1960年就出了实验

不过这个实验很有创意

但是也立刻就会被打倒

它是怎么回事呢

就是刚才我们讨论那个物理问题

我电子啊在biprism之间

通过biprism

当然复合了就可以干涉条纹

我现在加进一个通量管

不过这个通量管不太理想

不理想有它的作用

这是个什么呢

这就是一个针

这个针啊一个金属针

这个针里面是有磁通量的

如果这个针里面有磁通量

就是下面这个图这个样子

大家看

我现在这是一个针

针里边有磁通量

这磁通量在里边

它可以约束得好好的

但是到了这个针尖这

那你得给它出入啊

于是这个时候

这个磁通量就往两边走

就是这个样子

也就是说这个时候

你在这个针的

这个根部下面很远很远的地方

那在针外面是没有磁场的

但是你到了针尖这头这

你外面就有磁场了

要这个磁场干什么呢

它是起这样一个作用

你看电子从上面下来

通过了biprism以后

往下走的时候

看见了这个磁场

刚才说这个磁力线是往两边走的

于是请大家看这个图

我现在这个叉

就代表我从上往下走的这个电子

现在两边有了磁场

你电子呢从上往下走

有一定的速度啊

运动这个电子在磁场里受力

洛伦兹力给你了

就是

你判断它的方向在这边

就是往上

在这边就是往下

就是电子从上往下走的话

你就会考虑到

它受一个扭的力

在右边是往

比如说是往里

左边就是往外

于是呢电子受了力了

所以就使得你原来的

这个电子从上往下

本来在这应该产生的

都是平行的

这个干涉条纹

扭了一下以后

你看就变到右边

这个图的这样

你本来这一根干涉条纹

在针的下面的时候它是好好的

一到针尖附近

电子受力了一扭

它就扭成这个样子了

所以这干涉条纹呢

等于扭了一扭

扭了一扭有什么好处呢

那你又可以让这个针里面的

flux不同

你看你扭的就不同

然后去跟AB理论去比

你就可以验证出来

这就有了AB effect

也就是说电子啊

你虽然外面没有磁场

电子它的干涉条纹

就会有一个相的变化

当然这个实验一出来

立刻就被打倒了

人说你这针尖附近

这不有磁场嘛

你电子看见磁场了

它的干涉条纹还能不变吗

所以你这个实验是

根本是错的

但是呢他这有一个好的思想

什么好的思想

就是你磁通变化了以后

怎么会影响干涉条纹

所以到后来呢

这个实验当然立刻被打倒

因为它外边有磁场

下面呢到了1962年

1960年-1962年

过了两年就有两个物理学家

Mollcnstcdt和Bayh

他们就把上面那个实验改了改

上面画的是示意图

也还是biprism

但是它不用一根针

它用了什么

很长很长的一个螺线管

大家知道螺线管

它的磁场是什么

它的磁通量全在这个螺线管里边

它只有在那个螺线管两头

它才会出去

那我现在是一根很长很长的

螺线管

所以外面没有B了

外边没有B呢

当然你这块有了这个干涉条纹

你通量变它就会有phase

它就要变了

那你怎么

你通量变

好 你变一次照一个相

再变一次还照一相

它是平移啊

你看不出变化来啊

因为刚才Chamber那个实验

固然被人打倒

但是它提供了一个很好的思想

就是我怎么看出它扭一下呢

这两个人的做法就是这样

我让这个地方

这个照相的底片是可以随着时间

沿着这个条纹的方向可以运动的

你看旁边不有一个把手嘛

就是你给它旁边转

你一转呢

你这个照相底片

就沿着这个方向就可以动了

好 他们的实验怎么做呢

我这个solenoid

这个电流我让它随时间变

一变嘛

当然它这个干涉条纹就扭了

正好我就在这个感光的这个地方

我这放上一个光栅

这放上一个光栅就在这感光

所以我旁边再转

我一转一方面变更电流

一方面来转那个

所以正好把这随时间变的

这个扭啊就给照出来了

他说好了

我现在用的是solenoid

外边没磁场

所以我就证明了…

但是实验物理学家

挑毛病的办法多得很

第一solenoid

它这个磁通完全限制在里边

这是个理想的说法

你真正在实验室做成一个solenoid

它会漏磁 第一

第二你这个solenoid不是无限长

你究竟有两头

那两头磁都要出去

所以你这空间里面还是有磁场的

这是第一

第二你怎么保证这个电子

不到你的solenoid里边去啊

那电子一进去

它不就看见磁通了嘛

那当然它会变了

所以你这个实验没用

好 下面要讲一个真正的

好的实验

还是殿村

我们第一次介绍殿村

就讲他的电子双缝实验

这次他做这个实验

你看他作为实验家

他的这个精细的这个程度

这个实验是什么呢

这个磁场在哪呢

他是用了一个超导环

超导的一个环

超导环的核心

它这个轴上是带有磁通的金属

是permalloy合金

它作为一个很细很小的permalloy合金

这个环

这个下面呢都有尺寸

大家也可以参考我那本书里面

有详细的描述

一个很细很小的一个permalloy合金环

在这个里面放上磁通

我在它的外面

用这个金属喷镀的工艺

给它喷上一层超导金属Nb

有什么好处呢

我将来做实验的时候

我把这个系统

降到超导温度下边

降到超导温度下边

Nb就变了超导体了

超导体有什么好处啊

迈斯那效应

所以里边的那个磁通

它甭想漏出一点

一点都漏不出去

所以这就保证

这里边的磁通是绝对不漏的

外边是没有磁场的

这是第一

第二他还要回答一个问题

你怎么知道电子没跑到这里边去

看见里面的磁通呢

他就想办法

就在这个Nb外面

又喷镀上一层很薄的铜

铜是良导体啊

大家知道你让电子

这会儿它要想进去就不容易了

因为电子要逼近于

这一个很好的导体

这是静电学大家学过

这就有一个电相

这个电相呢

实际上是起了一个

排斥你这个电子的作用

然后我把这个铜还得给它

镀上一定的厚度

所以电子呢

即使进到铜的这层薄膜里边

它也就待在那儿了

它就不会再穿透这个超导体

再去看见那个磁通了

它下面都有实验数据的

它测量

这个时候电子可能进去的机率

那是非常非常小的

问题来了

你这个里面有这么一个环形的

磁通

你让这个电子怎么看见它呢

怎么表现在这个干涉里边呢

因为原来说过

殿村是在日立工作

它这个电子光学啊

这套东西玩得很熟了

他呢就做的是一个全息

holography

他用这个来做

你看他的整个实验装置就在这里

我先把实验装置说完

然后再说他怎么做的这个

他的这个设备

这是很费事的

你看他现在做的是这个

全息的做法

就是我上面平行光速下来

现在用的是电子

电子波下来

当然就是均匀速度的电子下来

我这个地方放的

就是我置备的通量环

外边有超导保护的通量环

整个的这个电子波的波速

这边是通过环的

当然环里环外都有

然后它环里的和环外的

环节不一样了

都看见这个

中间的这个flux

然后到下面

然后会有干涉的

那么全息的做法

这个呢是一半

占据你这个

这里有一个示意的话

实际上是个biprism

这一半什么也没有就是空的过来

右边的这个叫做object beam

左边是reference beam

或者叫reference wave

右边是object wave

就是你通过了

要探测的东西

所以右边是object wave

左边是reference wave

上面可以说一般的电子光学透镜

然后下面是这个electron biprism

电子

这个实际上是你的object wave

和reference wave

通过了biprism

在下边产生holography

这个holography比如全息图了

他画给你

给你画得你一看挺漂亮

是干涉条纹

实际上object wave和reference wave

产生出来的holography

你把它冲洗出来看

你什么也看不出来

你不懂

因为什么

这个是个holography

你要真看到

你的物理的东西

还要经过一个optical holography reconstruction

你把那个holography

就是你看出来

什么也不懂的放在这

然后呢你用laser平行光

让它通过一个透镜

你用不同的方位light

它可以就把你整个的holography

上面的这个object给你展示出来

如果原来是个箭头

你在这展示出来就是个箭头

所以要经过一个reconstruction

现在原来不是箭头了

原来是这个东西

是这个干涉条纹

所以呢你在这

你拿下来一看什么也不懂

你经过reconstruction

经过一个holography reconstruction

就看到了这样的东西

在让大家看这个干涉条纹

它的实验干涉条纹以前

先说它这个置备是非常辛苦的

它这个置备怎么置备呢

你看他图都给你画出来

置备是这样置备的

这就是他最后置备出来的

这样一个东西

在这里

中间这个画斜条纹线的

这个就是permalloy合金的环

很薄很细的一个环

这里面呢可以带上相当的通量

你可以有很多很多的环

你可以带上不同的通量

然后呢

将来可以每一个每一个拿来

做不同的实验

然后在外面用真空喷镀的办法

喷镀上

这个Nb

金属Nb

喷镀的时候

它这个地方

这是个大块的金属泥

中间有这么一个金属桥

通向你这个环

做这些事干吗呢

因为你permalloy合金里面

带好了磁通

外边给它喷镀的时候

你真空喷镀

Nb喷镀上去

它是有一定的温度的

你如果温度太高了

它要改变里面的磁通了怎么办呢

所以它这个地方有一个金属桥

通过金属传导

把你喷镀上去的这个热

通过金属桥传到

这个大块的Nb里面去

保证喷镀的时候

它的温度不会太高

所以这是非常细致的东西

你看下面就是给出这些个数据

它要保证磁通不会漏到外头去

所以外边要包上一层

结果它的大小就是permalloy

就是你permalloy合金的那个薄膜

才200 A

这是很薄的

外面真空喷镀

喷上去的Nb金属多厚呢

也才2580A

所以也是很薄的一层

在这个外面镀上铜

铜是500-2000个A厚

他估计电子能够进去的机率

小于百万分之一

就是你一个电子通过

它进到铜的

只是百万分之一进去

而且呢他把这个铜的厚度

从500增到2000

2000再多它的物理结果不变化了

所以喷到2000A就够了

好 然后他做实验的条件

你看刚才这个实验设备

这个上面是电子的源

它是用电子枪

这个是field emission electron microscope

是一个场致发射的电子显微镜

这个保证发出来的是

很单能的这个电子

就是这个电子波的质量

是很好的

那么它用了这个电子显微镜

加了高压是多少呢

150千伏 field emitting electron microscope

所以它是这样的一个设备

它结果呢做了实验以后

hologram经过reconstruction告诉你

它这个干涉条纹好到什么程度

3000条这个条纹

就是你要是如果我不用field emitting microscope

我用普通的热阴极的

这个电子枪的话

你只能得到300个条纹

它现在可以得到3000

好 现在呢AB effect给出来的

这个phase是这么大

乘上那个φ

φ现在多大呢

它现在这个磁通

是一个磁通环

外面都是超导体

做实验的时候

Nb是属于超导状态的

所以这个时候

里边的这个φ一定是量子化的

对不对

所以φ可以是什么呢

可以是0

可以是一个磁通量子

可以是两个磁通量子

所以呢磁通量子你放在这

因为这是库珀对

所以是hc over 2e

然后N倍

你看

这个时候你得到的可能性

是不多的

N可以等于0 可以等于1

可以等于2

有了这个N

剩下的一约掉了以后就是π

所以你做出来的实验

根据我们刚才说

你可以是100个π

这100个π就和0一样

整个的数你可以拿掉了对不对

所以我现在这个N要不是0

要不是1

1就是一个π了

一个π当然

那不够磁通量子了

刚是磁通量子的一半

可是到了2π那就和0一样了

所以将来做实验做出来

如果你磁通是量子化

你得到只是0或者是π

两种实验结果

好 下面给大家看结果

他用超导的情况做实验

很多很多个

最后当然都是把典型的拿出来

他也在不超导的情况做实验

你看得出来是不同的

超导的情况得出来的

他是给出来

超导温度是15K

所以在15K以下

头两个都是t等于4.5K

这两个呢相放大

都是电子光学的术语了

可以让你看得更清楚

所以你看它有两种情况

一种情况外边的条纹

跟里边的条纹正好差半波长

差半个波长差π

所以这个呢

就正好就是那个磁通

是π的那个结果

结果你电子从中间和外边通过

然后干涉了

他确实看见

你的permalloy合金的那个磁通了

如果你permalloy合金里边的磁通

得到的那个phase是π的话

就看到了前面的这个

它磁通这个

条纹的移动正好是半波长

你看这个虚线是

帮助你眼睛看的

它正好是半波长

如果是π 两倍的π

更多的那

结果就和不移动一样

所以你看里边的和外边的

这个干涉条纹都是整对好了的

如果我让这个实验室

在高于超导温度来做

那这个时候

中间的磁通就不量子化了

那那个时候呢

它这个移动也有AB效应

但是那个δ是在0和π之间

所以你看它就是中间

也不是0也不是π

是一个中间的值

所以呢不管你是用超导做

或者是用非超导做

它都有AB effect

所以这个就完全证明了

这个实验做得非常漂亮

他回答了实验物理学家

两种反对声音

第一个漏磁

现在不漏了

permalloy合金里面的磁通是多少

你外边要是超导了

那超导的表面电流

就可以调整到

你里边这个permalloy合金的磁通

是量子化的

所以你就看到两种结果

如果我在超导温度上头

那没有这个超导的表面电流

所以你里边原来做好了多少

就是多少

当然你在常温底下做

一般来讲它是都是这种情况

所以产生这种情况

是由于超导的表面电流

调整到让你里边的磁通

是量子化的

所以才有这种情况

这是1986年做的

大家记住

他1986年实验

他的这个电子枪的高压是150千伏

你看等到了2007年

殿村手里面有更棒的工具

他这个field emission electron microscope

原来是150千伏

现在是一个1MV

所以他这个电子束的质量

就更高了

你看他得出来的

这个跟干涉环是多么的漂亮

Nb它的临界温度9.2度

所以上面两个图

都是在临界温度以上

所以你看它这个△既不是0

也不是π的整数倍

上面这个0.5π

所以它稍微有一点移动这个条纹

下面这0.8π移动得多一点

但是也还没有到这个半波长

下面这个小于9.2K

所以这是在超导情况底下

正好一个π

中间这个条纹非常清楚

你看这个质量

那就是非常高了

1986年的实验出来以后

争论已经基本上没有了

它完全回答了实验物理学家的

原来提出来的挑战

所以这个已经解决了问题

下面这个无非让你看一个

更理想

更漂亮的结果

就是这样的

好 关于这个2007年做的实验

下面又给了一个

它的工艺得到的图

中间这个红颜色就是permalloy合金

外面就是这个Nb环

这是代表做的时候它的工艺

它中间有个桥

使得Nb环喷镀的时候

它的温度不会太高

这个实验因为是杨振宁建议他做

因为杨振宁的这个建议

使得他那个实验得到很大的成功

所以最后他还做出一个

更漂亮的结果