互动科普

利用复杂的量子效应，最新的实验提供了关于某些陶瓷为什么会无阻碍地传导电流的重要线索。

物理学中最值得纪念的集会之一是1987年3月18日召开的，正值美国物理学会的一次会议期间。匆忙,安排这次集会是为了应付大量过了报名截止期的发言。集会在纽约市的希尔顿饭店举行，吸引了两千名物理学家参加。与会者挤满了一间舞厅，还有许多人站在门厅里。发言者只有5分钟的时间来介绍最新的设想和研究工作，人人都拼命想争得这一发言机会并倾听别人的发言。这次会议被称为“物理学的伍德斯托克”(纽约的一个小镇，用来比喻狂热的群众聚会一译者注)，它从早上7点半开始，一直开到下午3点钟—直到那时人们的激动情绪仍很明显。

学术研究上的这一场骚动的起因在于高温超导性的宣布。1986年后期，IBM公司苏黎世研究实验室的J.Georg Bednorz和K.Alexander Miller报导说，一种称为镧钡铜氧化物的陶瓷在被冷却到仅-238摄氏度，即35开氏度〔绝对零度以上35度)时就完全失去了电阻。虽然这个温度仍然极其寒冷，但它也比最好的常规超导体(用金属或合金制成)的临界转变温度高出了10多度。此后不久，又有报导说发现了90开氏度以上的临界温度并得到了证实，接着又出现了不少关于130开氏度和240开氏度的高温超导性的消息。如果能发现一种在室温下(300开氏度左右)具有高温超导性的材料，那么它极有可能掀起一场现代仕会中的革命。

在1987年3月的会议上，物理学家们提出了关于新的超导体的理论和测量的论文。这次会议的狂热性质不仅是由室温超导体之梦所引起，而且部分地也是因担优所引起的。有些人担心，这些一氧化铜的材料(常常称为铜酸盐)也许会在每位研究人员能够作出有份量的贡献之前就被人们所认识了。毕竟超导性是获诺贝尔奖次数是最多的一个研究课题(至今已有5项诺贝尔奖是为超导研究成果颁发的)。一项正确的理论肯定将为该领域争得另一项诺贝尔奖。

事后看来，与会者们没有什么可担优的。自那之后的9年间，世界各地有数以千计的科学家花了总共几百万小时来研究铜酸盐为什么在如此高的温度下具有超导性以及如何产生超导性的问题。虽然这两个间题都还没有获得令人满的答案，但物理学家们已经取得了很大进展。最近的实验表明，铜酸盐与常规的超导体有根本的区别。同时这些实验也有助于确定互相竞争的理论的范围。它们表明一种根本的机制—构成导电介质的原子的磁涨落——仍继续有效。

库柏对实现的导电

磁性可能起着物质的核心作用的设想与我们对常规的低温超导性的传统认识形成了鲜明的对比。常规超导性的起因是电子互相结合，形成所谓库柏对(得名于首次提出这一概念的物理学家Lean N,Cooper。他当时在伊利诺斯大学。)与单个电子不同库柏对不会彼此碰撞，也不会被导电介质内的缺陷所反射。因此，它们在向前运动时不会遇到任何阻力。超导体中的电流将在役有电压存在的情况下流动，而且，一旦开始在回路中流动。就将永远持续下去一只要导体被冷却在临界温度以下。

金属中的电子可以结合成对是不同寻常的。毕竟电子都带负电，因此通常是互相排斥的。在五十年代，Cooper和他的同事John Bardeen以及J.Robert Schrieffer对此提出了一个解释BCS理论(为了纪念该理论的这三位提出者而得名)认为，常规超导体中的电子通过两种方式克服彼此间的斥力。第一种方式是挡住部分负电荷。这种“屏蔽”效应起源于其它电动，它减少了库柏对中的电子彼此的斥力。

第二种方式——也是更一种方式—是某一中介物电子克服彼此间的斥力而结起。这个“媒人”一就是构成金离子。(中性的原子在为了导出电子后就变成了正离子。)一个运动的电子在经过正离子的旁动的电子在经过正离子的旁边时可以使正离子的位置稍稍偏移。这种畸变(称为声子)产生出一些很小的带正电区域，它们吸引其它的电子。可以用放在一张床上的保龄球来作类比。一个保龄球使床垫弹簧变形，这一变形倾向于把第二个保龄球拉过来。

这一类比只能到此为此.因为电子保龄球相互间有强烈的排斥作用Bardeen提出了一个更适当的类比：他用的类比是一群挤得紧紧的人在足球场上横冲直撞。此时库柏对可以看作是这个混乱人群中的一对对拼命想要呆在一起的配偶。一旦开始动起来，就很难使这个人群再停下，因为要使这个人群中的某一人停下来，就必须使其它许多也停下，这个人群的成员将绕过门柱之类的障碍物而不会受到什么干扰。

物理学家们喜欢说电子是通过交换声子而保持配对状态的.正如橄榄球运动员在场上跑动时可以通过彼此传球以避免被扑倒而配对一样。这种声子配对理论具体用于BCS理论中时，能够极为圆满地解释常规材料中的超导性。   

但是研究人员普遍认为，传统的BCS理论本身不能解释铜氧化物中的超导性。在临界温度较高的BCS超导体中.电子和声子彼此间将发生非常强烈的相互作用。在这种情况下，材料的结构最终将发生畸变，以致它不再具有超导性r而且通常甚至不能导电。

此外，BCS模型还有赖于电子的能量远远高于声子的能量。电子的运动速度比声子快得多，因此，在第二个电子到达移位的离子时，第一个电子已经运动到远离这个离子的地方。电子之间的这一距离削弱了它们之间的负电荷排斥作用。但是在铜酸盐中，电子和声子运动速度相近，因此构成电子对的电子之问距离不会很大。   

我们说电子是电的载体，但实际情况是，在大多数铜酸盐中，电流的载体是“空穴”，即电子留下来的带正电的部位，这些空穴是在额外的原子—称为掺杂物—加入材料中吸收了部分电子后留下的。因此，本文下面在描述库柏对的组成成份时，将用“载流子”这个术语而不用“电子”。)

由于用声子很难解释临界温度较高的现象，因此科学家们提出了其它许多起配对作用的中介物，也就是在“橄揽球运动员”之间传来传去的球的类型。这些中介物包括激子(polaron)，其中载流子使它们穿行于其中的离子和其它电荷载体产生大幅度的位移。其它一些设想则把每种电荷当作两类可以在材料各层问迁移的截然不同的粒子。

遗憾的是，铜酸盐是相当复杂的材料。它们包括若干绝缘层，这些绝缘层使铜的氧化物层(主要的导电区)绝缘。现在还未设计出(或至少是取得一致意见)能够明确无误地区分各种配对机制的试验。然而，在超导状态的一个可能非常起作用的特征(即它的对称性)方而，已经取得了某些进展。这一特征或许能够起检验人们提出各种配对机制的石蕊试纸的作用。

波函数对称性

对称性指的是超导状态的数学描述(即波函数)所取的形式。这个波函数除了刻划其它一些特征外，其主要作用是揭示构成库柏对的两个载流子如何彼此相对运动。波函数把发现一个载流子的几率表示为它相对于其配偶的位置的函数。

常规超导体的库柏对其波函数是最为对称的，即具有球形(S波)对称性。这就是说，给定库柏对中一个载流子的位置时，找到另一个载流子的几率在空间的所有方向上以相同的指数速率下降；如果我们把这个波函数画出来，使库柏对的一个成员位于中心，则找到其伙伴的几率将呈球形.球心就在中心上。

铜酸盐的下一个最为对称的状态是d态。如果把这个状态画出来，它将呈分布在一个平面中的四个瓣叶的形状，好象一朵四叶苜蓿。每一瓣都表示库柏对的一个成员相对于其伙伴的可能位置。D对称也意味着库柏对的成员彼此不是靠得太近以致其相互的排斥力干扰了它们的耦合。

找出超导状态的对称性为什么会有助于确定产生库柏对的机制呢?已经发现人们提出的机制中有一些机制产生出截然不同的对称性。直到几年以前的时候，绝大多数理论都可以大致划分为两个阵营。一个阵营所主张的机制产生S波对称状态；这类理论的大多数(但不是全部)看来是BCS声子中介理论的改良形式；另一个阵营所主张的机制则产生d波对称状态。这类方案倾向于对基础物理学作比较根本的改草。

包含d波对称性的最为流行的理论可能是自旋波模型，圣巴巴拉加利福尼亚大学的Douglas J.Scalapino和伊利诺斯大学的David Pines是该理论的主要倡导者。该理论认为，一个运动电荷可以扰乱构成超导介质的原子的自旋取向。实

际上.载流子在它的尾波中留下了一个磁扰动(自旋波)。这一尾迹又吸人了第二个载流子，于是二者形成一个库柏对，自旋波的寿命很短，所以它们常常被称作自旋涨落。

许多物理学家曾经认为超导状态的对称性可以指出正确的理论。但实际情况却被证明是更为复杂的。过去几年中理论家们发现了不同的机初能够产生相同的对称性。因此，找出对称性并不等于自动确定了机制。更确切地说，成功地鉴定出对称性将使理论家们能够改进他们的模型。例如，明确地证明超导状态不具有d波对称性将把自旋波排除在可能的配对机制之外。

D波的线索

a波对称性的一个可以检验的特性是，在相对于基础原子点阵的某些方向上库柏对的结合程度比其它方向上要弱。这样它就可能让未配对的载流子沿某些方向运动。研究人员对这些未配对的载流子进行了一系列的检验。这类检验涉及到磁场在多大程度上进入超导体或需要多少热量来加热超导体。这些实验的结果通常是认为低温下存在未配对的载流子，但它们未能使大多数物理学家信服。这类试验多少是间接的，而且其结果常常并不排斥其它的对称状态（包括改进后的s彼状态)。

于是其它物理学家不再寻找自由载流子，而是试图测量库柏对的结合强度如何随角度而变。他们试图测定这二角相关性的方法是观察电荷载流子如何被高频光激发而逸出试样、穿过材料的光的频率如何改变以及电子如何通过隧道效应从另外的材料穿过薄的绝缘阻挡层进人铜酸盐。

这些研究发现结合强度存在着角变化。但是，由于另一个原因，它们未能成为d波的决定性证据。在d对称态中，波函数从正变为负.然后又从负变为正。换言之，四个瓣的符号是交替变化的:两个瓣为正，而另外两个瓣为负。上述检验对于符号的差别不敏感，因此其数据并不能表明d波对称性获得了令久信服的胜利。

然而有一种方法可以观察的正号和负号。这种方法利用了人们熟知的一条性质：作成环状的超导体能够将磁场捕获在环所包围的空间内。磁场以离散束(称为磁通量子)的形式被捕获。单个的磁通量子可以被认为呈管状。它的总磁通量(即磁场强度乘以环所包围的而积)等于一个基本常数(具体地说就是等于h/2e，其中h为普朗克常数。e为电子的电荷。)具有S对称波函数的常规超导体的环所包围的磁通为这些磁通量子的整数倍。

但是，具有d对称态的超导体所构成的环可以以不同的方式使磁通量子化。恨据对系统的能量和通量的计算，这类环能够捕获半整数倍的磁通量子。结果表明，存在或不存在半整数磁迎量子化能够决定各瓣是否(以及通过何种方式)改变符号。   

Lev N. Bulaevskii (现在洛斯阿拉莫斯国家实验室)和其他研究人员早在七十年代后期就预言存在半整数磁通量子，但是研究人员直到最近才得以位测到这些量子。1998年，科隆大学的Dieter Wohlehen所作的磁化研究提供了首批实验线索，随后，伊刊诺斯大学的Dare  Wollman 和DaIe Van HarIinger报导了对单块钇钡铜氧化物(YBCO)晶体和一个铅薄膜构成的超导环的电流和电压特性进行测量后所获得的更具体的证据。

最近我们在IBM公司的研究小组对这些半磁通量子进行了首次直接观测和成象。我们使用了专门设计的铜酸盐环，环中插人了一些绝缘材料构成的薄层。这类称为约瑟夫森结的壁垒非常薄，足以使库柏对能够通过量子力学的隧道效应穿过它们。这一隧穿过程称为约瑟夫森效应、得名于诺贝尔奖金获得者Brian  Josephson，他在1962年首次预言了这一现象。

仅当在约瑟夫森结一侧的库柏对与另一侧的库柏对“异相”时，才会发生约瑟夫森隧穿效应。在这里“相位”指的是波函数的一个主要特性。(简单地说，相位描述的是波函数处于一个周期的哪一部分。)对于d波超导体，人们可以设计一类环，它的约瑟夫森结将自动地改变沿环运行的库柏对的相位。这一相位变化等价于波函数中的符号变化。

因此，当受到冷却时，.这一内在的符号变化将自发地产生刚好足量的电流，恰好把一个磁通量子的一半包绕起米、在磁场中冷却时，穿过这样一个环的磁通量值将是3/2.5/2.7/2等等与磁通量子之积。

磁通周围的环

我们在一块专门设计的基片上按一定的方式生长出忆基超导体薄膜环，使其中一个环由3部分组成。每一部分的取向都与相邻部分的取向错开30度，这样每条边界都形成了一个约瑟夫森结。如果存在处于一种d波对称态的库柏对，那么这些库柏对在沿斧环绕行一周后将改变符号。(我们实际上并不知道符号改变了多少次，只知道对于这一几何构型来说必定变化奇数次。)

相反，如果材料是S波(它不存在任何符号变化)，那么边界就无关紧要了。在完成绕行一周后符号不会发生变化。

在制作出这些直径约为50微米的“三晶”(tricrystal) 环后，我们把它们冷却到其临界温度以下。由于其几何特性的缘故，这些环在导电方面是天然不稳定的。因此将有一股很少的超导电流自发地产生。在某种意义上，这个环好象有一处扭曲(就象Mobius带那样)。扭曲的地方总是存在一种复原的趋势，这一趋势使载荷子流动起来。我们发现在环中只有半整数磁通量子，这是d波对称性的明确无误的标志(S波不会产生这类量子)。

我们使用一台扫描超导量子干涉显微镜(SQUID显微镜)给捕获在环中的磁场成象。SQUID是世界上最灵敏的磁场探测器(见《科学》1994年2月号上John Clarke所著“超导量子干涉器件”一文。)通过几种不同方式仔细地校准SQUID的输出信号，使得三晶环中恰好只有一个半磁通量子。有偶数个约瑟夫森结的环起着对照作用，这类环没有出现磁通量子。（因为符号变化了偶数次，因此，最终又回到原先的符号上了。)

我们的研究小组还略微调整了这些条件，从而证明所得的结果的确显示了库柏对波函数的根本的对称性，而不是由比如说另外某些物理效应引起的。我们证明了环的几何特性的轻微改变将使自发半磁通量子出现并消失。施加一个微弱的磁场，我们还得以使其它的环也捕获整数倍的磁通量子，从而证明所有的环实际上都是起作用的。对不定形薄膜和圆盘所作的实验同环一样也显示了半磁通量子效应，这样就证明了该结果源于超导体内在的对称性，而与试样几何特性的细节无关。

在过去一年中，我们对另外三种铜酸盐重复了上述实验。这三种铜酸盐是铋锶钙铜氧化物(在某种意义上它比YBCO更复杂)、镉钡铜氧化物(其复杂程度与YBC）大致相当)以及一种钽钡铜氧化物超导体(比YBCO简单)。我们获得了同样的结果。我们的实验以及在伊利诺斯大学、苏黎士瑞士联邦理工学院以及马里兰大学所进行的实验全都与d波对称性相吻合。

目前对几种铜酸盐超导体中的超导波函数显示d波对称性这一点不可能有什么怀疑了。(某些实验报导说发现了S波对称性但这是可以解释的.因为在某些情况下一种铜酸盐可能兼具两种形式的对称性。)这一结果意味着，用来解释超导性的，传统的BC.S模型对于高温超导体不能成立，这是不令人感到意外的，该结果还意味着自旋仍是一种可行的配对媒介。

前景

然而，令人遗憾的是，已经提出的几乎所有其它的配对机制(激子、极子等等)都能够与这些实验结果相吻合。人们不得不假定库柏对中的载荷子强烈地互相排斥。这样一种相互作用将有利于符号改变的配对对称性。

但是，对称性检验对于缩小可能的配对机制的范围仍可起很大的作用。重要的是应当对其它铜酸盐超导体重夏这些实验。例如，钕铯铜氧化物在用电子施主掺杂后，似乎可具有s波对称性，这种可能性如果确实成立.将夸不利于那些王张自旋涨落机制的人，因为许多研究人员倾向于认为这同一种机制适用于所有各种铜酸盐超导体。它还将意味着这些物质比人们想像的更为复杂。对对称性与组成成份之间的相关关系进行系统的研究，可能有助于否定不正确的理论。已提出的绝大多数超导机制都不排除常温超导体，这对于那些有意于超导体商业前景的人来说是一个很好的消息。例如，对自旋彼模型所作的初步计算暗示超导性在远高于摄氏20度的温度下〔可能高达摄氏数百度〕仍可以维持。虽然这一上限温度无疑不大现实，但室温超导体存在的可能性仍是对传统BCS理论的预测的巨大的改进(该理论把温度上限定在摄氏-233度，即开氏40度。确定这一机制可能有助于那些试图制造新型超导体并开发它们的实际用途的人。［参看《科学》1996年1月号的“高温超导体”一文。］

物理学家们肯定还要做多得多的研究才能最终确定配对机制。但是，通过寻找穿过环的磁通量子，研究人员掌握了一项新的强有力的工具，它能够帮助研究人员了解为什么这些复杂材料会抗拒解释—但却不抗拒电流。