超导材料中的电子相干性实验
超导现象是物质在低温下展现出的一个重要特性，其中最显著的特征是电阻完全消失。超导体的这一特性使得它们在许多领域具有潜在的应用前景，包括医学成像、磁悬浮列车、以及未来的量子计算机等。然而，要深入理解超导现象背后的机制，尤其是其中涉及的电子相干性，我们需要通过实验来探讨超导材料中电子行为的量子特性。电子相干性是指粒子波函数之间的相干状态，决定了物质的宏观量子性质。本文将详细探讨超导材料中电子相干性的实验研究，阐述其在超导体中起到的关键作用，并分析如何通过实验手段观测和量化这一量子效应。
超导材料中电子相干性的理论背景超导现象可以通过BCS理论（Bardeen-Cooper-Schrieffer Theory）来解释，该理论认为超导电流的形成源于电子之间通过晶格振动形成的配对。这些电子配对被称为“库珀对”。在低温下，库珀对以一种特殊的方式协同运动，使得超导体中电子流动时不会遭遇散射，从而导致电阻消失。
在超导体中，电子不仅仅是孤立地自由运动的，它们通过相互之间的相干性形成了一个凝聚态。这种相干性是指电子的波函数之间存在相位关系，在整个超导体内表现为一种集体行为。这种相干性对于超导电性至关重要，因为它允许电子以没有散射的方式流动，这就是超导现象的根本原因。
电子相干性还与超导材料的临界温度（T_c）密切相关。临界温度是指超导体从正常状态转变为超导状态的温度。在该温度以下，超导材料表现出宏观的量子相干性。随着温度的降低，超导体中的电子配对更加稳定，电子相干性变得更加显著，从而形成超导电流。
电子相干性的实验测量方法为了研究超导材料中电子的相干性，物理学家们设计了多种实验手段。电子相干性的实验研究主要集中在以下几个方面：相干长度的测量、相干时间的探测、以及量子干涉效应的观察。
A）相干长度的测量
相干长度是衡量电子相干性的一个重要量度，表示电子在不发生散射的情况下，保持相干状态的最大距离。在超导体中，相干长度通常是纳米尺度的，并且它与超导体的临界温度、电子的相互作用强度等因素密切相关。相干长度的测量可以通过扫描隧道显微镜（STM）或光学方法进行。
使用STM测量超导材料的相干长度时，科学家们可以通过探测在不同距离处的隧穿电流来间接得到相干长度。相干长度的大小反映了超导体内电子波函数的空间延展性，直接与电子相干性相关。
B）相干时间的探测
相干时间是描述电子在超导体中维持相干性的时间尺度。在这一时间尺度内，电子的波函数不会因为外界扰动而失去相干性。通过测量电子在超导体中的寿命，科学家们能够确定电子在超导状态下能够维持相干性的时长。这个实验通常利用激光脉冲或者射频信号对超导体中的电子进行激发，并观察电子从激发状态到返回基态的过程。
此外，通过时域干涉实验（如量子干涉显微镜）来测量电子的相干时间。量子干涉效应能够揭示电子在超导材料中流动的相干性，因为电子波函数的相干性是决定干涉条纹出现与否的关键因素。
C）量子干涉效应的观察
量子干涉效应是验证电子相干性最直观的实验方法。在超导材料中，电子波函数的相干性能够产生宏观的量子效应，表现为干涉图样的出现。通过在超导材料中创建量子点、量子隧道接触或者微小环路等结构，科学家们能够诱导电子在不同路径上传播并产生干涉，从而观察到由相干性引发的量子干涉效应。
例如，通过利用超导量子干涉装置（SQUID），科学家可以精确测量超导材料中的电流和磁场变化，进一步探讨电子在超导材料中如何通过量子相干性进行相互作用。SQUID装置对微小的磁场变化极为敏感，能够有效地探测到由相干性引起的微弱电流变化。
超导材料中的电子相干性实验结果分析通过一系列实验，科学家们已经在不同类型的超导材料中观察到电子相干性的显著表现。以高温超导体为例，虽然高温超导体的超导机制并未完全由BCS理论解释，但相干性依然是其电性特征的一个核心。研究发现，在高温超导体中，电子的相干性并不像常规超导体那样完全由库珀对的形成决定，而是受到多体效应和电子-声子相互作用的影响。
另一个例子是在铁基超导材料中，尽管其超导机制仍处于研究阶段，但通过实验发现，电子相干性在材料内部的传递和电子配对过程中起到了重要作用。通过对铁基超导体的实验研究，科学家们成功地揭示了电子相干性与超导性能之间的关系，进一步推动了对这些新型材料超导性质的理解。
超导电子相干性与量子计算的关联超导材料中的电子相干性不仅对基础物理研究具有重要意义，它还在量子计算领域中发挥着关键作用。量子计算利用量子叠加和量子纠缠等现象进行计算，其中的一个核心技术就是量子比特（qubit）。超导量子比特是目前最为广泛研究的量子比特之一，而它的操作和传输正是依赖于超导材料中的电子相干性。
通过对超导量子比特的研究，科学家们发现，量子比特的相干性直接影响到量子计算的效率和准确性。在超导量子比特中，电子的相干性决定了量子比特的“生存时间”，即它能够保持叠加态和纠缠态的时间长度。为了实现稳定的量子计算，保持高效的电子相干性是一个关键问题，这也是当前量子计算研究中的一个重要挑战。
结论超导材料中的电子相干性是理解超导现象和开发量子技术的关键。通过一系列实验，物理学家们成功地揭示了超导材料中电子波函数的相干性特征，并通过这些实验进一步推动了对超导体内部量子效应的理解。电子相干性不仅决定了超导材料的电学性质，还与量子计算等现代技术的实现息息相关。未来，随着实验技术的不断进步，我们有望更加深入地理解超导体中的电子相干性，进一步促进超导材料和量子技术的发展。
如何让数智技术更好赋能阅读
在人工智能蓬勃发展的时代，DeepSeek（深度求索）等AI工具给阅读带来全方位变革。凭借个性化推荐、信息提炼等功能，AI丰富着读者的阅读体验，形成了一种新风尚。
近日，教育部办公厅、中央宣传部办公厅联合印发《关于深入实施全国青少年学生读书行动的通知》提出，在青少年学生读书行动已有工作基础上，创新实施五大工程，其中明确提到实施科技赋能阅读创新工程，推动数字阅读和传统阅读相结合。
1 技术赋能，多元化、个性化阅读更加便捷
AI背景下，多元化、个性化阅读持续增长。
作为一名小学四年级学生的家长，王璐已经习惯用AI辅助孩子阅读。“孩子喜欢互动式故事阅读，孩子会跟着想、跟着问，不仅能调动读书兴趣，而且会促使孩子边读边思考。”
数字化阅读的益处在学校阅读活动中也有体现。福建省宁德市寿宁县教育局电教馆主任赵春芳介绍，依托云端数据库，寿宁县定制了阅读考级平台。“学生阅读后针对每本书进行答题考核，平台还同步将学生图书借阅、电子图书阅读、阅读考核等数据汇总，形成阅读分析报告，有效辅助教师指导学生阅读。”
在北京大学教授、数字化阅读实验室主任郭文茗看来，数智赋能阅读，带来的改变是多重的。青少年作为数字时代原住民，具备对“一屏万卷”阅读方式的适应能力。青少年的阅读不再局限于纸张。
“此外，数字化阅读可以促进社交化读书，有利于培育阅读共同体。当下各种阅读软件会根据学生阅读喜好推荐书目，学生也会利用提示词，主动要求大语言模型推荐著作等阅读内容，实现个性化阅读。”郭文茗说。
2 正视风险，促进数字阅读可持续发展
在电子科技大学附属实验小学阅览室入口处，AI讲解机自动识别学生身份后，根据学生借阅记录和阅读行为，为学生推荐书籍；学生在对话中，迅速了解图书大体内容和借阅规则，确定是否借阅。
北京教育学院信息科技教育学院副院长胡淑均认为，数字阅读对营造氛围、推动阅读成为常态发挥着很大作用，但也不可否认，AI辅助阅读在一定程度上压缩了学生反复咀嚼文字、深入思考的空间。“我们需要接受数字技术产品和服务的不确定性，通过对过度依赖音频弱化文字触感等风险的合理转化，为数字阅读持续提供专业知识和经验支持。”
“推进数字阅读，必须正视多模态相互交织的网状阅读体系所带来的知识体系重构。”郭文茗指出，就《通知》中提到的研发阅读素养AI评价模型，不仅是技术层面的研究，还要关注数字技术和人工智能带来的全新知识表征方式和组织结构，打破常规思维，开展阅读教育的创新与探索。
3 纸数共融，为青少年深度阅读“搭台”
中国青年报社会调查中心发布的《2025年度中国青少年阅读报告》显示：61.2%的受访者认为AI系统的碎片化知识难以形成知识体系，45%的受访者认为过于依赖AI会导致独立思考能力的退化……
“这些挑战共同指向一个关键问题：如何引导青少年在数字阅读中既能高效获取信息，又能培养深度思考、辨别真伪和保护自我的能力。”福建师范大学校长郑家建强调，要警惕“打卡式”阅读、浅阅读和泛娱乐化阅读。
推进阅读数字资源系统整合和优化升级，打造有深度的数字阅读体系，是推动数智赋能阅读的重点方向之一。“对国家智慧教育读书平台、‘学习强国’和各地图书馆、学校数字资源的系统性整合，是激发学校纸质图书和电子资源共同支撑浸润式阅读场域的关键。”郑家建告诉记者，要以纸数互补共融，为青少年深度阅读“搭台”。
与此同时，也要避免因智能推荐带来的阅读能动性和自主性的丧失。曲阜师范大学教授谭维智认为，学校可以打破学科界限，促进不同领域阅读资源、阅读指导的共享，调动学生基于自身的好奇、兴趣等进行自主阅读探索。
“人工智能时代，变化的是阅读形态、手段、工具，不变的是阅读作为文化建设基石的使命和方向。要充分发挥数字阅读和传统阅读的优势，形成合力，推动读书行动从一项‘任务’转变为自觉的教育生态和文化氛围，让我们的孩子在浓郁书香中拔节生长。”郑家建说。
《中国教育报》2025年06月11日 第03版
作者：本报记者 黄璐璐
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