高温超导25年后《世界科学》

在超导百年研究历程中，25年前的那场高温超导研究热让许多人难以忘怀。尽管对于这种机制是如何产生的仍存争论，但是重拾信心，抓住未来的超导研究机会正逐渐成为共识——

高温超导25年后：信心依旧

冯诗齐/编译

编者按：近来，物理学界的一件大事是纪念超导现象发现100周年，美国《科学》和英国《自然》和中国的《物理》杂志等都推出综述专题纪念这一重要科学事件。说起超导，许多人可能都会记得25年前那场高温超导研究热，那时，这场世界范围内的探寻不断接近室温的超导材料的研究热潮也带来了对超导科学知识的大普及。尽管此后的进展出现了不少波折，但是一些坚定的物理学家没有放弃，而此次世界范围内对超导百年的纪念也是表明科学共同体和社会对此的态度。

这篇文章来自《自然》杂志，读者不仅可以从中大致了解到超导百年的研究轨迹，而且可以一窥未来超导研究的方向。同时我们采访了我国当年参与组织和领导高温超导研究的著名物理学家赵忠贤院士就超导百年做出的评述，敬请读者关注。

 

“就连纽约夜总会的保镖都知道我们的恶名，”保罗·格兰特(Paul Grant)在回想起1987年3月召开的美国物理学会（APS）会议时说道。由于报纸、杂志和每天早晨的电视谈话节目连篇累牍地谈论来自物理实验室令人惊谔的预示，宣传炒作持续了好几个月：一场技术革命似乎胜券在握，预示着一个由磁悬浮列车、硬币大小的计算机以及不损失能量的跨洋输电线的时代已然来临。

水中月般的梦

格兰特说，当会议最终召开时，一位来自加利福尼亚州圣何塞市W2AGZ Technologies能源咨询公司的物理学家，就像一位佩戴着APS证章来到名为“聚光灯”时尚会上的宾客，被直接引领到队列的前面。

 

虽然公众的兴奋还无法同物理学家所渴望的激情相比，但在3月18日的星期三下午，1800多位APS与会者陆续来到纽约市希尔顿的舞厅(另外还有2000人逗留在场外)。在这场有时是声嘶力竭的讨论会上——被称为是“物理学的伍德斯托克音乐节”——研究者与参会者分享了他们的最新发现：在这一代人中他们领域中最惊人的发现，在高温下获得超导材料已是轻而易举。

“高温”是相对而言：如果未被冷却到93K以下(大约在室温以下200°C)，即便是最好的材料也不会转变为没有电阻的超导体。但是，这要比以往观察到的任何超导材料的转变温度要高出近4倍，而这突破了曾经看起来不可能突破的30K的理论上限。舞厅里的每个人都知道，无论如何，它具有某些深刻的新意。

更妙的是，他们知道93K可以轻松地用廉价、丰富的液氮作为冷却剂来实现，而不是如早期超导体那样采用昂贵的、不易处理的液氦。突然之间，像无损输电线之类的超导应用似乎在经济上变得可行起来。而整个大厅被一个更为令人激动的思想所鼓动起来：会不会有一种材料不经任何冷冻而具备超导性?

但是，在第一篇有关高温超导论文发表25年后的今天，这样的材料仍然只是一个水中月、镜中花般的梦，人们所做的大多是神奇动听的应用以及就此理解了超导究竟是怎么回事。尽管实验技术日益细化、论文发表了近20万篇，但物理学家对于高温超导性迄今还没有得出一个完整的理论解释。纽约厄普顿的布鲁克海文国家实验室的物理学家约翰·特兰夸达(John Tranquada)说：“并非没有理论，而是有许多理论——只是没有一个是为大多数人所赞同的。”

进展如此缓慢

尽管如此，历史还是为人们提供了某些信心。物理学家花了50年来了解传统的超导性——那是100年前在荷兰莱顿大学海克·卡末林·昂内斯(Heike Kamerlingh Onnes)实验室发现的。1911年4月8日，在3K条件下测试了水银样品中的电阻后，该实验室写道：“Kwik nagenoeg nul(水银几乎为零)”，标志着首次观察到超导现象。

对超导性的解释在20世纪20年代随着量子力学的发展而向前迈了一步，它为普通金属结构提供了一个基本模式。金属原子形成一个规则的晶格并与电子内核紧紧结合在一起，但它们松散的没有约束的外层电子遂成为自由电子，汇集成一个移动的“电子海”——在电场的影响之下，这个自由电子的海洋将在晶格间漂移，以此构成导电性的基础。

100年前，荷兰海克·卡末林·昂内斯实验室开始了传统的超导性研究

 

在常规金属中，这样的漂移并不总是可预测的：无论它有多冷，随机的热涨落驱散电子，阻断了它们的前进运动并耗散能量，从而产生电阻。但是，当某些金属冷却到接近绝对零度时，电子突然转入高度有序的状态并集体旅行，不再偏离其路径——在低于这些金属各自唯一的临界温度时，电阻下降到零，此时任何电流几乎是永无止境地流动，于是它们就成了超导体。

但为何这样的有序状态会形成? 1957年2月，三位物理学家——约翰·巴丁(John Bardeen)、利昂·库珀(Leon Cooper)和罗伯特·施里弗(Robert Schrieffer)，他们后来同在伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校——第一次为这个问题提供了一份完整的答案。

他们所提出的现被称为BCS的理论认为，一个穿过原子核正电荷格点的电子留下一道小小的尾迹，就像保龄球滚过床垫时留下的凹痕。变形引来其他电子，有两个成为所谓的库珀对(Cooper pair)。如果在非常低的温度下有许多这样的库珀对形成（它们的量子力学波函数一致），就会驱使这些库珀对汇集成冷凝状态。一旦如此，它们就会互相制衡，因为打破其中一对会抬升所有其他对的能量。最终的结果是它们都不中断地流动起来，构成了超导性。

这个理论非常成功，使许多预测很快被实验所证实。但这也意味着约束库珀对的力非常弱，除非在极端低温下，否则它们会被任何热振动所撕裂。“在20世纪50和60年代共同作战的研究者致力于改进温度范围，”莱顿大学的理论物理学家简·扎能(Jan Zaanen)说，“但他们很快就意识到，他们无法将超导温度提高到超过25 K或30 K”——这个温度通常需要用对液态氦精心设计的冷却系统来实现，液态氦在4.2 K时汽化。

然而这并没有阻止超导线和超导膜在某些高价值应用项目中的使用，如医用磁共振成像仪(MRI)和粒子对撞机。但是，高昂的费用似乎排除了该技术更广泛的应用。

到了1986年6月，瑞士苏黎世IBM实验室的物理学家格奥尔格·贝德诺尔茨(Georg Bednorz)和亚历山大·米勒(Alex Müller)报告称，他们已经制出一种在35K下的超导材料。这一发现在1987年1月得到引人注目的证实，当时美国的物理学家发现了同一类的材料在93K下成为超导体。仅仅两个月后，就举行了文章开始时提及的这场物理学界的伍德斯托克音乐节。

贝德诺尔茨和米勒的许多惊人工作成果之一是，他们正在寻找的不仅是金属，还有被称为铜氧化物的绝缘材料——铜酸盐。特别是他们在调查当铜酸盐被“掺杂”，或在有像镧和钡这样的异质元素掺入铜的平行平面和构成其结构的氧中后发生了什么。他们的发现是异质原子释放了某些铜原子的外层电子，这些电子随后流经晶格。过后，如果铜酸盐被冷却到足够低的温度——取决于它是如何掺杂的——电子就将自由流动，而该材料就成为超导材料了。

这个奇特的状态——绝缘体中的超导——迅速促使物理学家重新审视自己关于凝聚态的基本思路。但由于某些实验是在不知情下用了不纯样品，然而在复验结果时就会遇到麻烦。麻省理工学院物理学家帕特里克·李(Patrick Lee)说：“该领域的头几年非常令人困惑。”假设引发了离奇和古怪的物理现象的出现，但往往没有太多的证据来支持它们。

这个领域很快分裂为若干相互竞争的阵营，各自主张不同的理论。研究人员经常会无视与他们偏爱的理论不相符的数据，近乎虔诚地死抱着他们的想法，攻击相信其他理论的人。加州斯坦福大学的物理学家凯瑟琳·莫勒(Kathryn Moler)回顾了一次学术报告会的情况。在那次会议上，作为听众的一位科学家对着发言者大叫：“女士们先生们，这人是个骗子——别听他的话！”华盛顿海军科学研究实验室的物理学家伊格尔·麦辛(Igor Mazin)也回忆起1989年的一次研讨会上，创立不同理论的物理学家站在台上“孩子般大呼小叫”。

逐渐形成共识

最终，这些不和谐的声音归成了两种现在大多数物理学家所遵循的理论。第一种叫共振价键(resonating-valence-bond)理论，是由新泽西州普林斯顿大学凝聚态物理学家菲利普·安德森(Philip Anderson)创立。该理论认为电子对机制存在于铜酸盐结构中，邻近的铜原子可以通过化合价的约束而相连，在这种关系中它们共享反向自旋的电子。通常情况下，约束可以将这些自旋对锁定，预防任何电流通过。但是当材料被掺入杂质后，这些自旋对开始移动，而价约束则成为凝聚超导体的库珀对(Cooper pair)。

第二种理论叫自旋涨落(spin fluctuation)，获得社会上大多数人的支持，是由英国爱丁堡大学的菲利普·蒙蒂乌(Philippe Monthoux)、美国新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室的亚历山大·巴拉茨基(Alexander Balatsky)以及伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的大卫·派因斯(David Pines)共同提出。该理论假定在没有掺杂时，铜酸盐被锁定在一个有序的称为反铁磁性物质的状态下。

这意味着每个铜原子的外层电子排列成每个自旋的方向都与其邻居相反：一个电子的自旋是向上、第二个是向下、第三个又是向上，等等。由自旋产生的磁场将电子锁定到位。但在经过掺杂的铜酸盐中，异质原子打破了这种一成不变的棋盘格模式，令自旋的所在产生颤动：一个经过的电子随后可以确立一个旋转的脉动模式，类似于传统超导性的晶格畸变。这种扰动随后驱使电子相互运动，将它们组合成库珀对并达到超导状态。

特兰夸达说，在早先，这两种机制的倡导者在这一领域相持不下。但不久以后，“事情变得较容易了一点，双方开始试着探讨共同点和不同点在哪里。我们可以超越不同的主张并试着通过在某些实验中的共识和有益的计算来取得某些进展。”多数研究者现在在许多方面有了广泛的共识，比如磁相互作用的重要性。

当经过改进的技术帮助研究人员剔除了一些怪异的理论，修订了留下的精华后，在实验室，事情也逐渐平息。一个很好的例证是角分辨光电子能谱(angle-resolved photoemission spectroscopy，ARPES)，这是一种采用高能量光子来探测电子行为的方法。“1993年，我们在12小时里最多能做4个谱，”斯坦福大学的物理学家沈志勋(Zhi-Xun Shen)说，目前他在做ARPES的研究，“现在只需3秒就能获得极高品质的谱。”

2008年，细野秀雄和他在日本东京工业大学的同事发现了第二类高温超导材料，即基于铁和砷的称为磷族元素化合物。这些材料的超导特性是在比大多数铜酸盐更低的温度下（往往要在40K以下）。

“这几乎就是推倒重来，”美国田纳西州国立橡树岭研究所的物理学家托马斯·梅尔(Thomas Maier)说。磷族元素化合物比铜酸盐具有更复杂的结构，但它们可能有助于发现高温超导现象的关键所在，这完全取决于氧化铜的结构。

此外，磷族元素化合物的发现让研究者们重拾了信心，他们也许能找到其他高温超导材料，提供更多的信息甚至提供一条难以找到的室温超导材料之路。纽约哥伦比亚大学物理学家安德鲁·米利斯(Andrew Millis)说：“要是有两个，那么很有可能有更多。”

研究人员已经在实际应用中取得了进展。例如，在近5年里，他们已设法将铜酸盐材料系扎到超导带中，可用来制成输电电缆或以液氮制冷的磁共振成像仪(MRI)。

对手让你强大

没有人能在任何时刻很快判定高温超导性的完整意义——这意味着你将不得不从浩如烟海的文献中理出头绪。派因斯说：“一个足够丰富的理论应能解释一切而并不仅仅是解释挑出的东西。”

但对于究竟哪些东西需要加以解释却并不总是很清楚。例如，大约在15年前，研究人员发现某些高温超导体会在转变温度以上形成电子对——在这种“赝能隙”(pseudogap)环境，材料自发地将自己组成条纹状，像河流那样的线性区域将电子对带入令电子仍然停留在原处的绝缘状态。“这是超导的初期状态，因而也是理解这个问题的基础，”普林斯顿大学物理学家阿里·亚兹达尼(Ali Yazdani)说。而派因斯则说并非如此，他认为赝能隙状态“干扰了超导性但并不应为此而负责。”

就像物理学家不得不等待高度发达的量子力学工具来揭开传统超导性背后的秘密，今天的研究人员也可能需要新的思路来完成自己的任务。

如果没有其他问题，这个领域早期的争论已经是那些最为坚定的研究人员在坚持。留下或许是由于被他们的经验所折服。安德森说：“我认为我们最大的问题是人本身的不可靠。”也许这些最初的困难，已经帮助锻造了可以经得起时间考验的理论。沈志勋则说：“最终，是你的竞争对手让你变得更强大。”

[资料来源：Nature][责任编辑：则 鸣]

超导研究大事记

1911年，海克·K·昂内斯(前排中间)和他的同事发现了超导现象,1913年获得诺贝尔奖。

1957年，约翰·巴丁、利昂·库珀和罗伯特·施里弗发表的超导理论，预测最大转变温度为30K。他们获得1972年的诺贝尔奖。

1986年，格奥尔格·贝德诺尔茨和亚历山大·米勒发现了一种在35K温度下达到超导的氧化铜材料。

1987年3月，美国物理学会主办“物理学界的伍德斯托克音乐节”。而菲利普·安德森则假定高温超导性机制是共振价键理论。

1991年，菲利普·蒙蒂乌、亚历山大·巴拉茨基和大卫·派因斯提出了有关高温超导的自旋涨落理论。

1993年，研究人员发现了一种在135K下呈现超导的材料，创出了最高转变温度的世界记录。

2008年，细野秀雄和他的同事发现了新一类超导体——铁磷族元素化合物。