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2017-12-12 10:44 科学网 罗会仟博客 （ 从不同角度看铜氧化物高温超导材料中复杂的物理现象，可以说它超出了物理学家目前的认知和掌控能力，在经历了多年艰苦奋斗之后，不少科学家甚至放弃了高温超导的相关研究。 高温超导问题之所以艰难，不仅在于物理现象难以理解，而且理解起来充满艰辛。比如，对于同一物理性质的样本体系，其实验测量结果可能很不一样，有时得到的结果甚至是截然相反的。又比如，理论家对实验数据的理解也很不一样，几乎是100个理论家就有100套高温超导理论，尽管他们所采纳的客观实验数据是相同的。有幸的是，物理学家们在困境中还是艰难地闯出了一些有价值的东西，视乎距离攻克高温超导机理不是那么遥远。那么，高温超导到底是如何产生的，在铜氧化物高温超导体中，究竟是什么载体负责超导电性，人们自然会问：难道仍然是配对的库伯电子对？这个问题的答案也许是肯定的。 首先，非常规超导绝大部分属于第二类超导体，如果能够在材料中观测到一个单位的量子磁通涡旋，那么就意味着高温超导是以电子对的形式来实现导电性的。一个磁通量子等于h/2e，这需要至少两个电子一起形成环流。对于铜氧化物高温超导体，由于量子磁通涡旋可以在实验上直接被观测到，这证明了库伯对的存在。也就是说，所有超导体基本上都需要依赖于库伯电子对来实现超导电性。
图1：三晶界中的半个磁通量子 其二，既然超导电性要库伯电子对的行为，那么就需要考虑库伯对究竟是怎么样的一群家伙。在（24）“雾里看花花非花”中，我们提到了扭捏的d波库伯对，它在高温超导里已经不再是常规金属超导那群的s波所对应的库伯对，而是具有新特性的d波库伯对。库伯电子对的能隙存在于空间某些位置为零的节点，在非零的区域，存在相位的交叉演变。现在，验证d波配对的实验方法有很多，其中最直接的是在高温超导三晶界上，能观察到半个量子磁通h/4e。由于在不同晶体取向下的d波电子对在大小和相位上都有变化，它们构成了一个三角围栏，会因为量子干涉效应而形成半整数的磁通量子。这个实验由华人物理学家崔长琦成功实现，以无可争议的事实证明了d波配对的存在，从而使高温超导对称性争议有了一个基本正确统一的观点 (图1)。
图2：铜氧化物高温超导体中的赝能隙与超导能隙
图3：超流密度与临界温度的Uemura标度关系 其三，库伯对的能隙是如何形成的，这个问题至今还没有确切答案，尽管我们知道库伯对的能隙是d波，却搞不清楚能隙从何而来，其中最大困扰之一是赝能隙的存在。实验发现，赝能隙在超导温度之上就出现，大多数情况下它和超导能隙都具有类似d波的特征。赝能隙往往出现在费米弧之上，它对体系的电子态行为的影响，通过测量赝能隙和超导能隙随掺杂的演变，可以发现超导能隙基本上和临界温度成正比关系，而赝能隙是随掺杂增加而单调递减直至消失。这说明二者不是一回事(图2)。随着人们对铜氧化物高温超导体中各种电子有序态的深入研究，目前大家倾向于认为赝能隙是由于体系中的电荷密度波等其它有序态造成的，但不同观点的争议仍然存在。
图4：超导电子对凝聚与费米面 其四，电子库伯对要形成超导电流(简称超流)，则库伯对必须凝聚成可以产生超导的能态。这需要所有库伯对都发生相位相干，一起凝聚到足够低能的组态。在传统金属超导体中，费米面附近的电子都配对进入了有能隙的超导态，使得超导电子密度(超流密度)趋高，它与临界温度有正比关系，即超导能隙的大小据于决定超流密度的主导地位，它以正比关系对应着临界温度。然而在高温超导体中，能隙的分布往往杂乱无章，大部分情况下的能隙和临界温度之间没有确定的对应规律，此时和临界温度有最直接关系的，反而是超流密度和临界温度成简单正比的标度关系。也就是说，超导电子的浓度越高，对应的超导临界温度就越高。这个现象由YasutomoJ. Uemura提出，被称Uemura标度关系或称Uemura图。进一步的研究表明， Uemura关系对于所有铜氧化物高温超导体系都可以成立，而且对于重费米子超导体和C60超导体也满足这个简单的标度关系。如果把超流密度换算成费米速度，那么低温下进入超流态的液氦也基本满足这个关系的(图3)。
图5：超导临界温度以上的能隙涨落与能斯特信号
图6：铜氧化物高温超导体中的“预配对”现象 其五，库伯对在什么时候/温度下形成的问题。我们知道，在常规超导体中，库伯对形成、相位相干、组团凝聚都同时发生在降温过程的超导临界转变之中，但在高温超导体中就没有这么简单了。高温超导材料中的超导能隙分布在空间上虽然是紊乱的，实验上则可以对每个小区域的能隙进行统计和测量。实验发现，小范围的能隙在临界温度之上依然可以存在，只不过是对整个超导体的覆盖率在不断下降而已。为什么在临界温度之上还存在超导能隙(注意不是赝能隙)，目前唯一可能的解释就是超导临界温度之上已经存在库伯对，这个结论由能斯特效应作出了解释。高温超导材料中的能斯特信号对应着磁通涡旋，在多个铜氧化物体系中出现了能斯特信号消失时的温度都远高于超导临界温度的情形(图5)。库伯对在超导临界温度之上可以存在，表明电子配对是一种趋向性，常称之为“预配对”现象(图6)。必须指出，预配对的温度低于赝能隙温度，赝能隙的形成和预配对有无关系，目前尚不清楚。 既然高温超导同样来自于库伯对的相干凝聚，那么究竟是一种什么力量驱使了库伯对的形成，而且它是在临界温度之上就出现配对趋势。这种神奇的力量，科学家称之为库伯对“胶水”。在常规超导体中，库伯对胶水是晶格振动量子——声子；在高温超导体中，这个胶水是什么，至今仍然没有确切答案，它是高温超导微观机理中的最大难题。理论学家们八仙过海，各显神通，发明了各种各样的“胶水”，遗憾的是都没有在实验上找到。不可否认，在高温超导材料中，如果电子之间的相互作用能量尺度，它必然远大于电子和声子的相互作用。现在还无法排除声子是否是胶水配方的一部分，也无法真正确定电子之间的电荷和自旋相互作用是否起到了胶水的作用。著名理论物理学家P.W. Anderson(安德森)坚持他早期提出的共振价键理论(RVB)，他认为有无胶水不重要，电子之间的电荷相互作用和自旋相互作用的能量都在电子伏特(eV)量级，而超导能隙是在毫电子伏特(meV)量级，如果把这三种相互作用都关在低温的冰箱里，就像一头猛犸象和一头大象塞得满满的，谁也不会去注意到它们脚下还有一只小小的老鼠。换而言之，足够能量尺度的电子-电子相互作用，只需要“借用”其中一丁点能量，或许就可以形成高温超导现象。高温超导背后的原理，也许可以很简单。
图8：安德森与他的 “RVB大象论” 以上是高温超导机理研究的几个核心问题，所涉及的相关回答未必都是正确的。30余年来，新的实验结果及其理论解释总是在不断涌现，关于高温超导问题的争论也从来没有停止过。山还是那座山，水还是那股水，相逢的理论家还会再相逢。终极的高温超导微观理论，不仅要全面回答以上问题，还须经得住更多实验的检验，因为科学要发展，实验探测技术的精度将不断提高。 |
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