互动科普

高温超导原理争辩激烈

撰文 亚当·曼（Adam Mann）

翻译 王栋

“那时，就是在纽约的夜店里，我们都很有名，”在回忆美国物理学会1987年3月的那次会议时，美国W2AGZ技术公司（一家能源咨询公司）的物理学家保罗·格兰特（Paul Grant）说。

当时，媒体铺天盖地地宣传了好几个月，报纸、杂志和早间电视访谈节目都在关注一项从物理实验室里爆出的重大发现。一项新技术革命似乎指日可待，一个普遍使用磁悬浮铁路、硬币大小的微型计算机和能够无损耗跨大陆输电的时代即将到来。格兰特说，当那次会议举行时，在纽约市的Limelight酒吧，只要佩戴有美国物理学会证章，就能享受到优先入场的待遇。

即便如此，公众的兴奋程度仍无法与物理学家们的激动和狂喜相比。在那年3月18日晚上，超过1 800位与会者挤在纽约希尔顿酒店的一间报告厅里，参加一场超过7个小时的马拉松式的系列报告会。在这场被称为“物理学界的音乐节”的报告会中，沙哑着嗓子、热烈讨论交流着的人随处可见。让他们狂热的，是一项可能会是这一代物理学家所遇到的最令人惊奇的新发现：能在较高温度下变成超导体的材料。

超导体是指对电流没有阻力的材料。而“高温”则是一个相对概念：即便是最好的材料，也无法在93开（-180℃，约比常温低200℃）以上转变成超导体。但是，这个温度已经比先前发现的任何超导材料的转变温度高出了近4倍。此外，根据先前的理论，超导的最高转变温度为30开，但高温超导体打破了这一金科玉律。每个人都意识到，无论高温超导的真正原理是什么，这绝对是一个重大发现！

更妙的是，他们还知道，只须用廉价的液氮来冷却，就很容易达到93开，而不必再使用传统超导材料所需的昂贵且不易控制的液氦。一夜之间，无损耗输电线路等超导材料的应用似乎也在经济上变得可行了。一个大胆的设想更是将会场气氛推到高峰：能否找到不用冷却就能超导的材料（常温超导）？

然而，距第一篇高温超导论文发表25年后，这种材料，和基于它的种种听起来非常美妙的应用依然只是梦想。似乎遥不可及的还有对高温超导原理的深层解释。虽然拥有不断进步的实验技术，以及近20万篇的相关论文，物理学家仍旧未能建立起一套解释高温超导的完整理论。“并不是没有理论，其实有很多理论，只是没有一个能得到大多数人的认可，”美国布鲁克海文国家实验室的物理学家约翰·特兰夸达（John Tranquada）说。

两次突破

虽然如此，历史还是带给了人们一些成功的希望。物理学家曾花费了50年的时间来理解100年前荷兰莱顿大学的海克·卡末林·昂内斯（Heike Kamerlingh Onnes）在实验室里首次发现的超导现象（参见“超导一世纪”）。1911年4月8日，测量了水银于3开低温下的电阻后，昂内斯写下一句话：“Kwik nagenoeg nul”（水银电阻实际为零），标志着超导现象首次被发现。

上世纪20年代，随着量子力学的建立，人们向着了解超导原理的方向迈出了第一步。量子力学提供了描绘普通金属结构的基本模型：金属原子通过被紧密束缚的内层电子相连，形成常规晶格结构。但它们松散的外层电子能脱离束缚，集合成一片可流动的“电子海洋”。在电场作用下，这片由电子组成的海洋就会穿过晶格阵列流动，这就是金属导电的原理。

在普通金属中，电子的运动不可能完全预测：无论温度多低，随机的热扰动都会散射电子，干扰它们的定向运动并损耗能量，从而产生电阻。但当某些金属被冷却到接近绝对零度时，其中的电子会突然变成高度有序的状态，开始进行集体运动而不偏离路径。每一种金属都有临界转变温度，在那个温度下，电阻变为零，电流几乎永不停歇。这时，金属就变成了超导体。

但是，这种有序状态究竟因何而生呢？1957年2月，当时均供职于美国伊利诺伊大学香槟分校的3位物理学家——约翰·巴丁（John Bardeen）、利昂·库珀（Leon Cooper）和罗伯特·施里弗（Robert Schrieffer）首次完整解释了这一切，这就是BCS理论。

根据他们的描述，一个电子在穿过带正电的、由原子核组成的晶格时，会留下一个微弱的尾迹，就像一个保龄球滚过地毯后会在上面留下形变印记。这种形变会对另一个电子产生吸引，这两个电子就形成了所谓的“库珀对”。在极低温度下，会有大量库珀对形成，它们的量子力学波函数保持一致，让这些成对电子组成了一种聚集态——称作凝聚态。如果一个库珀对断开，所有其他对的能量也会提升，所以它们彼此牵制。总体效果是，它们会集体流动而不断开，形成超导电性。

这个理论非常成功，许多从它引出的推论也很快都在实验上得到了证实。但是，它同时还表明，库珀对的束缚力很微弱，稍微高一点点的温度产生的热震动就能将它们破坏。“上世纪五六十年代，许多研究人员都在为提高温度上限而努力，”莱顿大学的理论物理学家简·扎宁（Jan Zaanen）说，“但是很快，他们就意识到无法在高于25～30开的温度实现超导。”如此低的温度通常须利用沸点为4.2开的液氦蒸发获得，而液氦的制备需要复杂的制冷系统。

虽然这些并没能阻挡超导线圈和薄膜进入医用磁共振成像（MRI）设备和粒子对撞机等一些特定高价值领域，但是，高昂的成本似乎阻碍了超导体的更广泛应用。

1986年6月，瑞士苏黎世IBM实验室的物理学家格奥尔格·贝德纳兹（Georg Bednorz）和阿列克斯·穆勒（Alex Müller）制备出一种在35开就具有超导性的高温超导材料。1987年1月，美国物理学家又突破性地发现了一种能在93开时变成超导体的同种类材料并引起了轰动，再次证明了高温超导的存在。仅仅两个月后，那次物理学界的“音乐节”就盛大举行了。

贝德纳兹和穆勒发现的材料有许多惊奇的特性，其中一点是它们并不是金属，而是被称作铜氧化物的绝缘体。具体来说，他们研究了铜氧化物被“掺杂”后的性质（铜氧化物晶体结构由平行的铜原子和氧原子平面构成，其他元素，例如镧或钡，可以掺入这些平行平面之间）。他们发现，杂质原子能让一些铜原子的外层电子摆脱束缚，在晶格内运动。接下来，如果铜氧体被冷却到了特定温度，电子就能够无阻碍流动，材料也就变成了超导体，而这个特定转变温度的数值取决于掺杂方法。

理论争端

这种“具有超导电性的绝缘体”的奇特搭配，立刻让物理学家开始重新审视他们对凝聚态物质的基本理解。但是，因为在与高温超导有关的一些实验中无意间使用了不够纯的样品，人们在重复实验结果时遇到不少困难。“最初几年，物理学家都很困惑，”麻省理工学院的物理学家帕特里克·李（Patrick Lee）说。基于各种奇思妙想的假设层出不穷，却常常没有充分证据来支持。

很快，超导研究分裂成几个派别，推崇的理论各不相同。研究人员往往忽略与自己理论不一致的实验数据，不顾理论本身还未经证实，就到处宣讲，并攻击持不同观点的人。

美国斯坦福大学的物理学家凯斯琳·摩勒（Kathryn Moler）回忆道，在一次学术报告会上，曾有一位科学家站起来指着演讲者高喊：“骗子！骗子！女士们先生们，那个人是一个骗子，不要相信他的鬼话！”美国海军实验室的物理学家艾格·麦辛（Igor Mazin）也回忆起1989年的一次学术会议，在台上宣扬各自理论的物理学家“就像小学生一样大喊大叫”。

种种不和谐杂音最终归结到了被大多数物理学家所支持的两种理论。第一种称为共振价键理论（resonating-valence-bond theory），主要由普林斯顿大学的菲利浦·安德森（Philip Anderson）创立。该理论认为，电子成对机制会在铜氧体结构中留下印记。相邻的铜原子通过共享自旋相反的两个电子，形成化学共价键来彼此相连。通常，共价键会紧密束缚这些自旋对，不让它们运动以产生电流。但当这类材料被掺杂后，自旋对就可以移动，共价键也变成了库珀对并聚集在一起，最终成为超导体。

得到支持最多的是另一种理论，称作自旋扰动（spin fluctuation）理论，由英国爱丁堡大学的菲利普·蒙特豪克斯（Philippe Monthoux）、美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的亚历山大·巴拉茨基（Alexander Balatsky）和美国伊利诺伊大学香槟分校的戴维·派因斯（David Pines） 提出。它假设，在掺杂之前，铜氧体被局限在一种有序状态，叫作“反铁磁性体”。意思是每个铜原子的外层电子都以特定顺序排列，相邻的两个电子具有相反自旋：如果某一个电子自旋向上，下一个必定向下，再下一个又向上，以此类推。自旋产生的磁场会把电子束缚在原位。但在掺杂后的铜氧体中，杂质原子会破坏这种如棋盘般的固定排列模式，让自旋有了摆动空间。这样，一个途经的电子会触发一个自旋模式的扰动脉冲，就像传统超导中的晶格扰动一样。这种扰动进而会将运动的电子聚集在一起，让它们组成库珀对达到超导状态。

特兰夸达说，早些时候，这两种机制的拥护者完全势不两立。但过了一段时间后，他说：“（人们）变得平静下来，开始坐下来讨论彼此的共识与分歧。人们可以摆脱成见，试图在一些或许能带来帮助的实验或计算上达成一致，并取得一些进展。”现在，大多数研究人员在很广泛的一些问题上都有了共识，例如磁相互作用对高温超导的重要性。在实验室里，事态也稍稍平息了一些，这是因为更先进的技术帮助研究人员排除了一些不靠谱的理论，并对剩下的进行完善，其中一个典型例子是“角分辨光电子能谱”（angle-resolved photoemission spectroscopy，ARPES）技术，它使用高能光子来探测电子的行为。斯坦福大学的物理学家沈志勋（Zhi­Xun Shen）目前正在使用这项技术进行研究，他举例说：“1993年，我们在12小时内最多只能获得4个光谱，而现在，获得一份极高质量的光谱只需要3秒钟。”

此外，日本东京大学的细野秀雄（Hideo Hosono）及同事于2008年发现了基于铁和砷的第二类高温超导材料，即“铁磷族化合物”。虽然这类材料的超导转变温度常低于40开，低于大多数铜氧体，但为理论物理学家提供了验证高温超导理论的平台。

“这有点像重复劳动，”美国橡树岭国家实验室的物理学家托马斯·梅尔（Thomas Maier）说。但与铜氧体相比，铁磷族化合物的结构更复杂，它们或许能揭示哪些现象才是产生高温超导的关键，以及哪些只是由铜氧体自身结构造成的。

另外，铁磷族化合物超导体的发现，再次为研究人员打了一针强心剂，让他们有信心寻找其他高温超导体，为常温超导提供参考，甚至打开通往常温超导体的大门。“一旦有了两个，那么第三个或更多（超导体）出现的可能性就很大了，”美国哥伦比亚大学的物理学家安德鲁·米利斯（Andrew Millis）评论说。

在实际应用上，研究人员也取得了一些进展。例如，过去5年里，他们就设法将铜氧体超导材料编织成了超导带，用于由液氮冷却的输电电缆或磁共振成像设备。

最终结局

没有人认为短时间内就能把高温超导的原理完全弄清——尤其是，如果想要从事这项工作，必须先得读懂该领域海量的论文。“一个足够完善的理论应该能解释一切，而不仅仅是其中一些明显特性，”派因斯说。

但是，究竟哪些才是需要解释的关键？这个并不总是很清楚。例如，大约15年前研究人员发现，一些高温超导体能在转变温度之上就允许电子配对。在这个所谓的“虚能隙”（ pseudogap）区域，材料会自发排列成条带状。这些线性区域就像河流一样携带电子对穿过四周绝缘的“土地”，那里的电子仍然束缚在原地。普林斯顿大学的物理学家阿里·雅兹达尼（Ali Yazdani）认为：“这是进入超导态之前的诱导态，因此是理解这个问题的基础。”派因斯却对此持不同意见，他宣称，虚能隙“会对超导有影响，但不是超导的原因”。

就像物理学家曾经需要更高级的量子力学工具来揭开传统超导（低温超导）的秘密，今天的研究人员或许同样需要未来的新理论来完成这项任务。最初发生的那些争论并不完全是坏事，它至少证实了坚守在该领域里的研究人员都具有决心和毅力，此前的艰难经历也许能让他们更谦逊而不再急躁。安德森说：“我认为，我们面临的最大问题就是人类总是容易犯错。”或许，最初的这些困难能够催生经得住时间考验的新理论。“毕竟，是对手让你变得更强大，”沈志勋说。