破解高温超导之谜

破解高温超导之谜


物理学圣杯:高温超导

近40年来,理解高温超导现象是物理学研究的一座“圣杯”。所谓高温超导,指的是有些材料,可以在比传统的低温超导体高得多的温度下,以零电阻导电。如果能将这样的超导材料开发成室温超导体,就能最终实现电能的100%高效传输,并带来从悬浮列车到量子计算机等一系列令人叹为观止的新应用。

然而,到目前为止,高温超导背后的原子级尺度机制一直不为人知。为此,科学家已经提出了几种可能的理论。现在,其中一个最有前景的理论得到了一项历时数年之久的实验的验证。

一个国际物理学研究团队实现了在原子级尺度上直接可视化一种被称为铜氧化物的高温超导材料的超导性,并最终揭示了这一现象的机制。他们已将结果发表在了近期的《美国国家科学院院刊》杂志上。


低温超导:BCS理论

超导材料最初发现于1911年,当时,荷兰物理学家海克·卡末林·昂内斯(Heike Kamerlingh Onnes)正在研究汞的电学特性。他发现当将一根汞线冷却到4K(比绝对零度高4度,-269℃)左右时,汞的电阻骤然消失了。当他对溶液施加电流时,电流甚至在电池断开后依然存在。

直到上世纪50年代末,这种“低温超导”背后的机制才由约翰·巴丁(John Bardeen)利昂·库珀(Leon Cooper)约翰·施里弗(John Schrieffer)阐明。以他们三人名字的缩写而命名的BCS理论解释了这一现象,表明在低温超导体中,移动的电子会以稳定的“库珀对”结合在一起。当库珀对形成时,超导就出现了。库珀对可以在材料中无损耗运动,不会因为任何的随机反弹而产生阻力,因而最小化了电阻,形成超导电流。

电子结合成库珀对是由电子和材料中的金属原子的热振动之间的耦合相互作用,即电子声子相互作用引起的。热振动会将电子“粘合”在一起,当一个带负电的电子在原子间飞行时,它会吸引带正电的原子核,引发涟波。这个涟波会吸引第二个电子。在克服了强烈的电斥力后,两个电子就会形成“库珀对”。

不过,这种效应只在非常低的温度下发生,因为更高的温度会使电子拥有更多的热能,从而能挣脱束缚着库珀对的化学键。因此,低温超导体(如用于核磁共振仪的超导体)必须在极低的温度才能发挥作用,使它们的应用受到了很大的限制。


铜氧化物和超交换

1986年,物理学家在铜氧化物材料中,意外地发现了临界温度大约为30K(-243℃)的“高温”超导。很快,其他小组也制造出了相关材料,相继发现了其他临界温度高于100K的铜氧化物,以及高于130K的铜氧化物。尽管这些材料仍然需用液氮来冷却,但与需要用液氦来冷却到更低温度的传统超导材料相比,铜氧化物材料要实用得多。

几十年来,物理学家一直困惑于这些铜氧化物晶体的超导能力,它们的高温超导机制至今仍是未知的。但是,就在高温超导现象出现的几个月之后,诺贝尔奖得主、凝聚态物理学的传奇人物菲利普·安德森(Philip Anderson)就提出了一个理论。他认为,铜氧化物的高温超导特性并不是由电子与热振动的相互作用导致的,而是应该归因于一种被称为超交换作用的量子现象。

超交换是一种由电子跳跃能力产生的力。根据安德森的理论,每个铜电子就像一个小的具有南北两极的磁铁棒,它们具有一种被称为“磁自旋”的特性。超导的“电荷转移超交换”理论认为,在相邻的铜原子中,磁自旋会在中间的氧原子的帮助下,通过量子力学通信,与相反的磁自旋结合成电子对,形成强大的库珀对。

理论上,这种电子配对的强度是由铜原子和氧原子的内部轨道能级差控制的,即所谓的电荷转移能。这是因为磁超交换相互作用的强度,微妙地取决于一个电子能否通过中间的氧轨道,轻易地在铜原子之间跳跃。

换句话说,如果电荷转移超交换理论是正确的,那么电子配对的强度将会以一种非常特定的方式,依赖于结构中每个氧原子和每个相邻铜原子轨道上的电荷转移能量差。


超级显微术

然而长期以来,物理学家们一直难以验证安德森的这一理论,因为他们并没有能够直接测量电子对的波函数或电荷转移能的方法,特别是无法对材料中的每个原子进行测量。

牛津大学教授J. C. Séamus Davis已经研究这个问题25年了,他领导了一项新的实验来验证超交换理论。他与团队逐渐发展了两种能在原子级水平上仔细研究铜氧化物的显微镜技术。

首先,他们改进了一种已有的扫描隧道显微术。这是一种能以位置函数的形式测量铜原子和氧原子轨道之间的能量差的技术,它涉及到将一根针在表面拖曳,测量在针尖与表面之间跳跃的电子电流。通过将针的普通金属尖端换成超导尖端,并将其扫过铜氧化物,他们测量到了电子对而不是单个电子。这让他们可以绘制出每个原子周围的库珀对密度。第二种方法叫做扫描约瑟夫森隧道显微术,它可以测量每个氧原子和每个铜原子上的电子对的波函数的振幅。

在新研究中,通过将超导电子对的密度可视化为轨道能量之间的电荷转移之差的函数,研究人员有力地表明了超交换是实现高温超导的关键机制。测得的跳跃能量和库珀对密度之间的关系,与基于安德森的理论作出的预测结果一致:在电子难以跳跃的地方,超导性很弱;容易跳跃的地方,超导性强


历史性的进展

新的实验结果为安德森的理论提供了直接的证据,为这一研究领域奠定了新的方向。这样的结果将激励着化学家和材料科学家们继续钻研铜氧化物,继续朝着室温超导迈进。

这是近40年来物理学研究的圣杯问题之一,新的结果可能是室温超导发展的历史性一步。现在,研究人员可以更专注于发展和利用这一理论,设计出具有更高工作温度的新型超导材料。最终,这些材料将可以得到深远的应用,比如磁悬浮列车、核聚变反应堆、量子计算机和高能粒子加速器……为人类文明带来革命性的改变。

参考来源:

https://www.physics.ox.ac.uk/news/holy-grail-physics-discovery-could-open-way-super-efficient-quantum-electronics

https://www.quantamagazine.org/high-temperature-superconductivity-understood-at-last-20220921/

封面图/首图:Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory