高溫超導起源基本假設引發巨大爭論—新聞—科學網

2020-11-24 科學網
物理學巨人決戰「超導之巔」
高溫超導起源基本假設引發巨大爭論

 1998年，Robert Laughlin在自己獲得諾貝爾獎的慶祝儀式上。

圖片來源：FREDERIC NEEMA/SYGMA/CORBIS

 

Robert Laughlin正展開絕地反擊。離開物理學界10年後，這位美國史丹福大學的諾貝爾獎得主在兩篇即將發表的論文中表示，大部分物理學家有關高溫超導性起源的基本假設是錯誤的。相反，Laughlin認為，這個凝聚態物理學最大的謎題能夠從金屬的傳統理論開始解釋，但數十年前，大部分理論物理學家拋棄了該理論。

 

超導是指某些物質在一定溫度條件下（一般為較低溫度）電阻降為零的性質。高溫超導體的溫度只是相對於原來超導所需的超低溫高了許多。

 

近年來，Laughlin致力於撰寫科普書籍，並於2004年~2006年間擔任韓國先進科技學院院長。他拒絕回答有關其發表於《物理評論快報》和《物理評論B》的論文的問題。他認為自己的工作會帶來震動，能將超導領域從受困多年的泥沼中拯救出來。「這裡上演的一切在物理學領域很少出現。」Laughlin在一封郵件中寫道，「根深蒂固的理念被一個人用邏輯學粉碎了」。

 

其他物理學家表示，這樣的震動確實需要，但Laughlin忽視了實驗證據，這削弱了其理論。而且，有人認為，Laughlin的論文將持續與諾貝爾獎得主Philip Anderson的長期爭論。美國普林斯頓大學的Anderson支持一個關於高溫超導的迥然不同的理論。

 

一般理論認為，普通的超導體是鉛或鈮等金屬。這些材料被冷卻到絕對零度附近，其內部的電子會形成寬鬆的電子對，並被它們之間帶正電荷的電離子列的振動所束縛，最終電流能暢通無阻地通過金屬。

 

但是，這種「振動黏合」並不足以解釋銅和氧的混合物如何在138開爾文的溫度下成為超導體。在鉍鍶鈣銅氧化物、釔鋇銅氧化物以及其他「銅氧化物」中，銅原子、氧原子和其他原子形成了平面，在每個平面裡，銅原子按正方形排列，而氧原子則位於相鄰銅原子之間。

 

在金屬中，每個銅原子貢獻出一個自由電子。但是，在銅酸鹽化合物中，這些電子會被卡住。研究人員「摻入」額外的氧原子，它們將吸引一些銅釋放的電子，從而破壞「擁堵」，並以某種方式觸發超導性。

 

在高溫超導性被發現27年之後，理論物理學家仍然未就其發生原理達成一致。在氧—銅平面中，相鄰電子以一種名為反鐵磁性的方式被磁化。一些理論物理學家認為，以這種方式產生的漣漪提供了束縛電子對的黏合力。但是，Anderson等人則認為，這裡並不需要「膠水」，電子間強大的排斥力就能創造電子對。

 

Laughlin駁斥了這兩種觀點，重新提出了金屬的基礎理論。電子通常相互排斥，但是該理論認為，在金屬中，電子的行為好像並不相互作用。理論物理學家通過擬想不相互作用的電子和增加它們之間的作用力來解釋這一情況。而這種互動鍛造了互不影響的「準粒子」。

 

Laughlin爭論道，銅氧化物一定是以同樣的方式得到。他著眼於銅氧平面上的準粒子。通過調整斥力、從原子到原子的跳躍速度以及磁力等參數，Laughlin希望能從理論上複製銅氧化物的改變。例如，他說聲稱與眾不同的「贗能隙」階段，實際上是一種名為d-密度波的電流模式。

 

超導體的特徵之一是具有能隙，用來打破庫侖對使之成為單個自由電子。然而20世紀90年代中期，物理學家在銅酸鹽高溫超導材料中發現了與低溫超導體相似的能隙，稱為「贗能隙」。另外，Laughlin還表示，新工作是對莫特絕緣體理論的挑戰。

 

像氧化鎳、氧化錳等氧化物，一個晶胞中具有奇數個價電子，按照能帶理論應當有良好的導電性，而實驗表明它們卻是透明的絕緣體。英國物理學家Nevill Mott等人認為問題在於電子之間相互作用引起的關聯效應。這些氧化物後來被稱為莫特絕緣體。

 

有科學家認為，Laughlin並沒有保持科學性。美國俄亥俄州立大學理論物理學家Tin-Lun Ho指出，莫特絕緣體已被實驗證實。麻省理工學院理論物理學家Patrick Lee也表示，Laughlin用於複製銅氧化物的參數值與實驗值相衝突。

 

儘管他們持有不同的意見，但許多理論物理學家表示，他們十分高興Laughlin能重回該領域。「我們都愛Bob。」阿貢國家實驗室理論物理學家Michael Norman說，「他是超凡的。」

 

但Anderson並沒有分享這份熱情。2004年，Laughlin發表了一首長達13頁的詩，即興重複了美國詩人亨利·沃茲沃思·朗費羅的《海華沙之歌》，在詩中，他似乎將自己描寫成一個無辜的英雄，被一個明顯是Anderson的匿名角色引入歧途。

 

當被詢問有關Laughlin論文的問題時，Anderson說自己忙於準備90歲生日宴會，無暇他顧。但是，他也表示，Laughlin「似乎沒有閱讀或理解我對莫特物理學的解釋」。（張章）

 

《中國科學報》 (2013-12-31 第3版 國際)

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