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物理学巨人决战“超导之巅”

——高温超导起源基本假设引发巨大争论

2013年12月31日08:59    来源:中国科学报    手机看新闻

1998年,Robert Laughlin在自己获得诺贝尔奖的庆祝仪式上。

Robert Laughlin正展开绝地反击。离开物理学界10年后,这位美国斯坦福大学的诺贝尔奖得主在两篇即将发表的论文中表示,大部分物理学家有关高温超导性起源的基本假设是错误的。相反,Laughlin认为,这个凝聚态物理学最大的谜题能够从金属的传统理论开始解释,但数十年前,大部分理论物理学家抛弃了该理论。

超导是指某些物质在一定温度条件下(一般为较低温度)电阻降为零的性质。高温超导体的温度只是相对于原来超导所需的超低温高了许多。

近年来,Laughlin致力于撰写科普书籍,并于2004年~2006年间担任韩国先进科技学院院长。他拒绝回答有关其发表于《物理评论快报》和《物理评论B》的论文的问题。他认为自己的工作会带来震动,能将超导领域从受困多年的泥沼中拯救出来。“这里上演的一切在物理学领域很少出现。”Laughlin在一封邮件中写道,“根深蒂固的理念被一个人用逻辑学粉碎了”。

其他物理学家表示,这样的震动确实需要,但Laughlin忽视了实验证据,这削弱了其理论。而且,有人认为,Laughlin的论文将持续与诺贝尔奖得主Philip Anderson的长期争论。美国普林斯顿大学的Anderson支持一个关于高温超导的迥然不同的理论。

一般理论认为,普通的超导体是铅或铌等金属。这些材料被冷却到绝对零度附近,其内部的电子会形成宽松的电子对,并被它们之间带正电荷的电离子列的振动所束缚,最终电流能畅通无阻地通过金属。

但是,这种“振动黏合”并不足以解释铜和氧的混合物如何在138开尔文的温度下成为超导体。在铋锶钙铜氧化物、钇钡铜氧化物以及其他“铜氧化物”中,铜原子、氧原子和其他原子形成了平面,在每个平面里,铜原子按正方形排列,而氧原子则位于相邻铜原子之间。

在金属中,每个铜原子贡献出一个自由电子。但是,在铜酸盐化合物中,这些电子会被卡住。研究人员“掺入”额外的氧原子,它们将吸引一些铜释放的电子,从而破坏“拥堵”,并以某种方式触发超导性。

在高温超导性被发现27年之后,理论物理学家仍然未就其发生原理达成一致。在氧—铜平面中,相邻电子以一种名为反铁磁性的方式被磁化。一些理论物理学家认为,以这种方式产生的涟漪提供了束缚电子对的黏合力。但是,Anderson等人则认为,这里并不需要“胶水”,电子间强大的排斥力就能创造电子对。

Laughlin驳斥了这两种观点,重新提出了金属的基础理论。电子通常相互排斥,但是该理论认为,在金属中,电子的行为好像并不相互作用。理论物理学家通过拟想不相互作用的电子和增加它们之间的作用力来解释这一情况。而这种互动锻造了互不影响的“准粒子”。

Laughlin争论道,铜氧化物一定是以同样的方式得到。他着眼于铜氧平面上的准粒子。通过调整斥力、从原子到原子的跳跃速度以及磁力等参数,Laughlin希望能从理论上复制铜氧化物的改变。例如,他说声称与众不同的“赝能隙”阶段,实际上是一种名为d-密度波的电流模式。

超导体的特征之一是具有能隙,用来打破库仑对使之成为单个自由电子。然而20世纪90年代中期,物理学家在铜酸盐高温超导材料中发现了与低温超导体相似的能隙,称为“赝能隙”。另外,Laughlin还表示,新工作是对莫特绝缘体理论的挑战。

像氧化镍、氧化锰等氧化物,一个晶胞中具有奇数个价电子,按照能带理论应当有良好的导电性,而实验表明它们却是透明的绝缘体。英国物理学家Nevill Mott等人认为问题在于电子之间相互作用引起的关联效应。这些氧化物后来被称为莫特绝缘体。

有科学家认为,Laughlin并没有保持科学性。美国俄亥俄州立大学理论物理学家Tin-Lun Ho指出,莫特绝缘体已被实验证实。麻省理工学院理论物理学家Patrick Lee也表示,Laughlin用于复制铜氧化物的参数值与实验值相冲突。

尽管他们持有不同的意见,但许多理论物理学家表示,他们十分高兴Laughlin能重回该领域。“我们都爱Bob。”阿贡国家实验室理论物理学家Michael Norman说,“他是超凡的。”

但Anderson并没有分享这份热情。2004年,Laughlin发表了一首长达13页的诗,即兴重复了美国诗人亨利·沃兹沃思·朗费罗的《海华沙之歌》,在诗中,他似乎将自己描写成一个无辜的英雄,被一个明显是Anderson的匿名角色引入歧途。

当被询问有关Laughlin论文的问题时,Anderson说自己忙于准备90岁生日宴会,无暇他顾。但是,他也表示,Laughlin“似乎没有阅读或理解我对莫特物理学的解释”。(张章)

(责编:实习生尤明元、赵竹青)

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