互动科普

自从高温超导体发现18年以来，它们一直是个谜。这些铜氧化物陶瓷材料可以在远高于传统超导体所需温度以上无损耗地导电，尽管仍然远低于室温。物理学家们知道在两类材料中，超导电性都是由于电子配对后一起进入单一集体量子态而形成。但他们不知道到底是哪种“胶”把高温超导体中的电子粘合成对。提出了种种想法，但没有一个得到证明。最近一项实验研究表明，可以排除两种重要理论的可能性。

在低温超导体中，电子之间的关键相互作用被正离子金属晶格的振动所调制。一个电子会扭曲它经过的晶格，几微秒之后，当扭曲到达经过点时，会影响这个电子的同伴。这种品格振动被称为声子。它们的行为和粒子类似，电子发射和吸收声子会产生弱的相互吸引作用。物理学家把这种传统模型称为BCS理论，它是以1957年推导出该模型数学表述的科学家们的名字命名的。

1986年发现高温超导体以后，物理学家们很快发现这种朴实无华的BCS理论不能解释新材料的行为。首先，由高温产生的热振动会掩盖掉任何声子产生的吸引力。（但最近，临界温度的这种局限性已经遭到了置疑。）第二，用同位素替代BCS超导体中原来的原子，会改变声子的特征（较重的原子应该振动较慢），临界温度的改变量很精确。但高温超导体的改变量有所不同。其他具体特征也很难用BCS理论解释。

近来物理学家正在研究“结点”，或者称为弯曲，它出现在用电子对能量表征产生电子对作用力的图示上。很多研究人员将该结点与称作磁共振的一种电子间集体态相联系。一个实验组做出假设，认为声子是结点的起因。这个结果会颠覆人们对非传统超导体的常规看法。

加拿大McMaster大学和美国布鲁克海文国家实验室的实验结果，似乎排除了磁共振和声子作为“胶”的可能性。在这个组的实验中，红外线照在超导体上，每个波长被散射的光的多少，为电子对的能量提供了量度。在McMaster大学的Thomas Timusk领导下，物理学家在一个特殊频率上发现了一个散射尖峰和遍布所有频率的宽散射背景。尖峰无疑与其他实验中看到的结点相关。但是在所谓的重掺杂材料中，尖峰就消失了。这种材料对最佳超导体来说，氧原子太多了。重掺杂材料也超导，但是随着掺杂增加，超导温度降低。这就排除了声子是峰和结点的起因，在所有材料中都应该存在声子，即使是重掺杂材料。声子也不能对宽背景负责：如果是这样，背景在高频时将会截止，而事实并非如此。

这个尖峰的行为（在它可以出现的情况下)正如所期望的那样，与磁共振有很好地关眹。但是老问题又来了：它在仍然是超导的重掺杂材料中消失了。因而，它也不可能是超导的起因。

那就剩下了宽背景，Timusk和他的同事们认为，无论什么机制，这很可能是真正将电子束缚成对的信号。而阿尔贡国家实验室的材料学家MichaelNorman争论说，虽然这种“胶”不可能是已经深入研究的磁共振，但有充分理由相信它本质上是磁性的。于是问题仍然继续存在。两个对手仍在对抗，但难题依旧。

[孙学锋/译    杨光/校]