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又一个诺奖级的重大发现？还是超导方面的？一个仅在理论上存在的“预言”——派因斯恶魔，现在已经压倒室温超导幻觉，有可能彻底揭开超导背后的谜团。这个消息来自新闻周刊日本网站，在韩国LK-99室温超导陷入低迷的时候，日本京都大学这一诺奖级的重大发现，是不是特别令人振奋？可我顺藤摸瓜排查下去后，却发现事情越来越扑朔迷离，诺奖级不假，但真的是日本科学家发现的吗？ 日媒报道日本取得一项诺奖级别的研究成果这个报道刊登在8月18日新闻周刊日本网站上，标题是《压倒室温超导幻觉新闻！京都大学团队在超导体上取得“诺奖级”发现？》，说是京都大学高等研究院前野悦辉（Yoshiteru Maeno）教授和美国科学家领导的团队，发现了美国物理学家大卫·派恩斯1956年预言存在的一种无法观测到的复合粒子——派恩斯恶魔，有可能揭开超导背后的机制，制造出可以复现的室温超导体，并宣布“日本取得了一项诺奖级别的研究成果”。  看看，韩国的LK-99在全球引发轩然大波，不正是超导理论机制不明，科学家只能盲人摸象，瞎碰乱撞，导致室温超导材料层出不穷地被发现，但却从来没有被证实，成为一场空欢喜吗？如果能真的找到超导背后的机制，揭开超导的谜团，室温超导材料还不笼子里抓鸡——手到擒（禽）来？ 但我用英文在网上搜索，却发现这个诺奖级的重大发现大都是说美国科学家发现的，甚至都没有提日本科学家，这究竟是怎么回事呢？并且所有报道都没有说清楚派因斯恶魔究竟是怎么回事，今天我们就来啃啃这个硬骨头，非得把你给整明（hu）白（tu）了不可。  派恩斯的恶魔究竟是什么？所谓派恩斯的恶魔（Pines' demon），是指固态物理学中预言的一种神秘电子现象，此前从未被实验观测到，因为它没有质量，没有电荷，不与光相互作用，就像人们经常说起的魔鬼，你看见过魔鬼吗？ 这里需要引起你高度警觉的是，这个它不是指的电子，而是一种电子现象，或者说电子行为，这是理解派因斯恶魔的关键，绝大多数人之所以无法理解，就是把它当成电子了。 这是因为在固体尤其是金属中粒子的运动非常复杂，根据库仑定律，每一个电子和质子，都会被固体中所有其他电子和质子推拉，而且所有这些电子质子自己都还在运动，比如一粒沙子就有10^17个原子核和10^18个电子，所有这些粒子都通过库仑力互相吸引和排斥，所以要预测和理解固体行为非常地困难。  科学家们就引入了准粒子（quasiparticles）或集体激发（collective excitations）的概念，把系统中某些粒子在低能激发态的集体运动或模式看作是一种虚拟的粒子，这样就可以用量子力学的方法来处理。这种粒子如果与费米子相关，就称为准粒子，与玻色子相关，就称为集体激发。 派因斯恶魔就是一种由不同能带上电子相互作用而产生的集体激发。具体来说，当不同能带上的电子做相位相同的运动时，它们会形成一种集体振动——等离子体激元（Plasmon），在金属反射和吸收光的方面发挥关键作用。 而当它们做相位相反的运动时，就可以形成一种复合粒子——派因斯的恶魔，派因斯预测它们整体上自旋为零，没有质量，没有电荷。在超导性背景下对派因斯恶魔的早期研究表明，这种复合粒子允许对超导配对产生轨道选择效应，并且在近年来对高温超导金属氢化物的研究中，发现派因斯的恶魔可能发挥了积极的作用。  所以你就可想而知，为什么这次真正发现派因斯的恶魔，可能是一个诺奖级别的重大发现，因为它可能会让科学家们彻底破解高温超导，甚至室温超导的秘密，从而让人类文明的发展跨上一个新的台阶。 派因斯的恶魔为什么会成为一个谜？但你肯定还是云里雾里，为什么不同能带上的电子反相位运动，会形成派因斯的恶魔，既然派因斯的恶魔无法观测，科学家们又是怎样发现它的呢？ 这里先要搞懂相位的概念。所谓相位，你可以想象一个时钟，每转一圈就完成一个周期，它的指针所指的方向就是相位，可以用角度来表示。比如12点方向是0度，3点是90度，6点是180度，9点是270度。  相位相反的运动就像两个时钟上的指针，它们以同样的速度转动，但总是指向180度的相反方向，比如一个指针指向12点方向，另一个指针指向6点方向。 理解了相位的概念，我们就可以来说派因斯恶魔的三大特性，你也就知道它为什么67年来一直没有被发现了。 电中性：电子带负电，它们运动时会形成电流，当不同能带上的电子做相位相反的运动时，就等同于它们形成了反向电流，整个系统（派因斯的恶魔）因而就没有电荷呈电中性了。 无质量：派因斯的恶魔并不是真正的粒子，只是不同能带电子形成的一种状态，所以它是没有质量的，科学家们用常规方法可以探测到形成它的电子，但无法探测到这种状态。就像用秤可以称出你的重量，但称不出你的思想行为一样。 不与光相互作用：由于两个不同能带上的电子相位相反，它们形成的派因斯恶魔就像一个无头无尾，没有前后左右的球一样，因而没有偶极矩。而光是一种电磁波，可以与带电粒子和电偶极子产生相互作用，从而改变光的能量、动量、方向、频率、相位等。派因斯的恶魔既没有电荷，也没有偶极矩，所以几乎不与光发生相互作用。  你看，派因斯的恶魔既没有质量，也没有电荷，又不与光发生相互作用，所以它很难被探测，自1956年派因斯预测它的存在后，就一直和科学家们捉迷藏，67年来一直不现身，以至于让科学家们都怀疑它究竟是不是存在的了。 又一个诺奖之争？今年8月9日，《自然》杂志发表了一篇论文，宣称在一种低温超导体钌酸锶（Sr2RuO4）中，首次实验观测到了派因斯的恶魔。  2018年，研究人员利用动量分辨电子能量损失谱（M-EELS）测量钌酸锶时，偶然发现在某些特定的动量范围内，出射电子的能量损失出现了一个很窄的峰，这意味着存在一种很强的集体激发。科学家们敏锐地意识到，这是一个重要的新发现，通过数年的分析研究和比较，他们最终确认发现了67年前就预言存在的派因斯恶魔。   M-EELS并不依赖质量、电荷及电磁辐射，而是利用高能电子束照射材料表面，通过观测出射电子的能量和动量变化，来测量材料中不同类型的激发（如声子、磁振子、等离子体等），所以才发现了派因斯的恶魔。具体来说，如果出射电子的能量比入射电子低，就说明电子与材料中的某种激发产生了相互作用，损失了一定的能量，从而可以得到材料中这种激发的信息。  在各种新闻报道中，我看到的都是美国伊利诺伊大学物理学家彼得·阿巴蒙特（Peter Abbamonte）领衔的团队作出了这项重大发现，为什么日本媒体说是京都大学前野悦辉教授和阿巴蒙特教授领导的团队，发现了超导体中电子的奇怪行为，称在这项研究中发挥核心作用的是前野教授，并宣布日本取得了一项诺奖级别的研究成果呢？  在论文中我发现，论文的主要作者都是伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的，阿巴蒙特教授是通讯作者，前野悦辉仅排第9位，贡献主要是制备和表征了Sr2RuO4样品，所以仅从目前看到的情况来看，前野教授可能并不是这篇论文的关键人物。 那是不是说日本媒体就是在吹牛呢？我搜了一下前野悦辉教授的生平才发现，他是日本著名的物理学家，主攻固体物理学，在超导领域有很高的声望和影响力，曾任职于美国洛斯阿拉莫斯国家实验室，现任京都大学教授，曾获得日本最高的奖项之一——紫绶褒章。 最关键的是，前野教授是发现派因斯恶魔的低温超导体——钌酸锶（Sr2RuO4）自旋三重态的发现者，这一发现推翻了旧学说，即超导体只能是自旋单态的理论，揭示超导体可具有类似液体氦3的超流体状态，从而翻开了低温物理学与强相关电子系统的历史新篇章。 此外，前野教授还是立体元素周期表Element touch的发明者，所以未来一旦派因斯恶魔的发现真能获得诺贝尔奖，前野教授还真有可能为日本再添一个。 目前日本已获诺奖29人，是欧美之外获奖最多的国家，其中物理学奖12人，化学奖8人，生理学或医学奖5人，文学奖3人，和平奖1人，这还没包括原籍日本或在日本出生的6名外籍科学家。更令人惊叹的是，进入21世纪后，日本获奖次数仅次于美国，居世界第2，说明了日本在科学上的巨大进步。 发现派因斯恶魔是一项具有重要里程碑意义的物理学成果，它不仅验证了一个长期以来的理论预言，也为超导现象的研究提供了新的视角和方法。相信科学家们将开发更先进精确的实验技术和理论模型，来更好地描述和理解派因斯恶魔的性质和行为，为超导领域带来更多的突破和创新。 参考： https://www./akane/2023/08/post-63_2.php https://www./articles/s41586-023-06318-8 |
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