民國115年 高考三級 天文 近代物理
第4題
2025 年諾貝爾物理獎頒發給John Clarke、Michel H. Devoret 與John M. Martinis，以表彰他們「發現電路中的宏觀量子力…
題目
2025 年諾貝爾物理獎頒發給John Clarke、Michel H. Devoret 與John M. Martinis，以表彰他們「發現電路中的宏觀量子力學穿隧與能量量子化」 的開創性研究。試解釋說明下列物理現象： 宏觀量子現象（10 分） 超導現象（superconductivity）（5 分） 超流體（superfluidity）（5 分） 約瑟芬森效應（Josephson effect）（5 分）
參考解答（AI 生成，非官方）
- 一、宏觀量子現象（macroscopic quantum phenomena）：指量子力學的相位相干（phase coherence）與離散能階延伸到由億萬粒子組成的宏觀電路尺度，使穿隧（tunneling）與能量量子化可直接在電路中觀測。Clarke、Devoret、Martinis 利用超導電路（SQUID、磁通量子位元 flux qubit）證明電路可如原子般具有離散能階並發生宏觀量子穿隧，奠定量子計算的硬體基礎。
- 二、超導現象（superconductivity）：材料低於臨界溫度 Tc 時電阻驟降為零，並具完全抗磁性（Meissner effect），磁場被排除於體內。微觀上由 BCS 理論描述：電子透過晶格振動形成庫柏對（Cooper pair），凝聚成相位一致的基態，激發需跨越能隙，故電流無耗散。
- 三、超流體（superfluidity）：液氦-4 冷卻至 2.17 K 以下時黏滯係數趨近於零，可沿容器壁爬升、通過極細毛細管，並出現噴泉效應與量子化渦旋（quantized vortex）。一般以雙流體模型（two-fluid model）描述，即正常流體成分與超流成分共存，本質同為玻色凝聚造成的宏觀相位相干。
- 四、約瑟夫森效應（Josephson effect）：兩超導體間夾一極薄絕緣層形成 SIS 接面，庫柏對可穿隧通過。直流約瑟夫森效應指電壓為零時仍有超導電流 I=Ic sin Δφ（Δφ 為兩側相位差）；交流約瑟夫森效應指加偏壓 V 時產生頻率 ν=2eV/h 的交流電流。此效應是 SQUID 磁量計與電壓基準的基礎。
- 五、整體意義：上述現象共同顯示量子力學並非僅限微觀，相位相干可在宏觀電路中維持，並可透過電路參數設計能階與耦合；這正是 2025 年諾貝爾物理獎所表彰「電路中的宏觀量子穿隧與能量量子化」的核心，也直接支撐超導量子位元的發展。
AI 依官方試題文字產生的參考解答，非考選部公告答案，內容僅供備考參考。