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研究团队准确地解决了高温超导的实验难题

在金属中首次发现超导性45年后,1957年伊利诺斯大学厄巴纳-香槟分校(University of Illinois at Urbana-Champaign)的巴登-库珀-施里弗(bardin - cooper - schrieffer, BCS)的超导理论最终解释了产生超导性的物理原理。

在取得这一基准成果的30年后,凝聚态物理学家面临着一个新的谜团:1987年发现的铜氧化物或高温超导体。现在通常被称为铜酸盐,这类新材料证明了完全不属于BCS理论的物理性质。铜酸盐在室温下是绝缘体,但在比传统BCS超导体高得多的临界温度下过渡到超导相。(铜酸盐的临界温度可高达170开尔文——即-153.67℃——相比之下,BCS超导体汞的临界温度要低得多,为4开尔文——或-452.47℃。)

30多年前,高温超导体的发现似乎预示着一系列新技术即将出现。毕竟,用液氮作为冷却剂可以达到铜酸盐的超导相,而不用冷却BCS超导体所需的昂贵而稀有的液氦。但是,直到这些绝缘体的不寻常的和意想不到的超导行为能够在理论上得到解释,这一承诺在很大程度上仍未实现。

大量的实验和理论物理学研究试图揭示铜酸盐超导性的令人满意的解释。但今天,这仍然是凝聚态物理学中最迫切的未解决的问题。

现在一个理论物理学家小组在凝聚态理论研究所(ICMT)物理系伊利诺伊大学香槟分校由伊利诺斯州物理学教授菲利普·菲利普斯首次完全解决了铜酸盐的代表模型问题,1992年Hatsugai-Kohmoto掺杂莫特绝缘体(香港)模型。

该团队已经在2020年7月27日的《自然物理》杂志上发表了他们的发现。

“除了超导温度上的明显差异,铜酸盐作为莫特绝缘体开始了它们的生命,在这里电子不像金属那样独立运动,而是强相互作用,”菲利普斯解释说。“正是这种强烈的相互作用使它们能够很好地隔绝外界。”

在他们的研究中,菲利普斯的团队解决了BCS理论中类似的“库珀配对”问题,但现在是针对一种掺杂莫特绝缘体。

什么是“库珀配对”?Leon Cooper展示了BCS理论的这个关键元素:传统超导金属的正常状态对于电子对之间的吸引力相互作用是不稳定的。在BCS超导体的临界温度下,库柏对电子无阻力地穿过金属——这就是超导!

“这是第一篇精确地表明库珀不稳定性存在于一个掺杂莫特绝缘体的玩具模型中的论文,”菲利普斯说。“从这一点,我们表明超导的存在,性质大大不同于标准的BCS理论。这个问题已经被证明是如此困难,在我们的工作之前,只有数字的或暗示的现象学是可能的。”

Phillips将Mott问题归功于ICMT博士后研究员Edwin Huang,他为超导态编写了BCS波函数的模拟。

“波函数是关键,你不得不说一个问题已经解决了,”菲利普斯说。John Robert Schrieffer的波函数被证明是整个BCS理论的计算核心。所有的计算都是用它完成的。对于相互作用电子问题,写出波函数是出了名的困难。事实上,到目前为止,只有两个描述物质相互作用状态的波函数被计算出来,一个是Robert Laughlin在分数量子霍尔效应中计算出来的,另一个是Schrieffer在BCS理论中计算出来的。所以埃德温能够解决这个问题是一个了不起的成就。”

当被问及铜酸盐为何向物理学家证明了这一谜题时,菲利普斯解释说:“事实上,正是莫特态的强相互作用阻止了铜酸盐超导问题的解决。在任何掺杂莫特绝缘体的模型中都很难演示库伯配对问题的类比。”

Huang的Mott绝缘子波函数进一步使Phillips, Huang和物理研究生Luke Yeo解决了一个关键的实验难题,即铜化物的“颜色变化”。与金属不同,铜酸盐在低能量时对辐射的吸收增强,同时在高能量时吸收减弱。菲利普斯的团队已经证明,这种行为是由菲利普斯所说的超导状态下的“莫特物理”或“斑点”的残余物引起的。

“Mottness”是菲利普斯创造的一个术语,用来概括莫特绝缘子的某些集体特性。第二次世界大战后不久,英国物理学家、诺贝尔奖得主内维尔·弗朗西斯·莫特首次预言了这一特性。

此外,研究人员还发现,在铜酸盐中被抑制的超流体密度相对于它在金属中的价值,也是材料的斑纹的直接结果。

此外,菲利普斯的团队已经超越了库珀问题,证明了该模型具有BCS理论之外的超导特性。

“例如,”菲利普斯解释说,“超导态的转变温度与能量隙的比值大大超过了BCS理论中的比值。此外,我们的工作表明,超导态的基本激发态也在BCS范式之外,因为它们产生于莫特态固有的大范围的能量尺度。

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