高温超导研究面临的挑战

作者: 向涛, 薛健

来源: 中国物理学会期刊网

发布日期: 2023-07-28

本文讨论了高温超导研究中的挑战,包括实验和理论方面的难题,以及高温超导机理的研究现状和未来的发展方向。

近日,韩国量子能源研究中心一研究组在预印本网站刊文,宣称使用改性铅-磷灰石晶体(LK-99)实现临界温度约126.85℃的常压室温超导,引发全球关注。文章从临界温度、零电阻率、斯迈纳效应等多方面论证,并称这一发现将“开启人类新时代”。同时,他们的工作立即受到质疑,甚至被网友发现作者署名的“罗生门”,剧情走向扑朔迷离。

由于此前室温超导风波主角Ranga Dias遭遇连续撤稿,人们对此次发现更谨慎——让子弹飞一会儿。实际上,无论是实验还是理论方面,超导领域仍面临许多挑战,本文主要介绍高温超导机理方面物理学家面临的重要问题,期待迎来真正的突破。

高温超导是20世纪最伟大的发现之一,这项发现不仅为超导的应用开辟了新的方向,同时也为我们揭示了一个新的微观量子世界,向传统的固体量子理论提出了挑战。其中最具挑战性的问题,就是高温超导机理问题,这也是上个世纪遗留下来的,未解决的重要科学问题之一。

高温超导在超导相的性质与BCS理论的预期是一致的,但正常相的性质却出现了大量反常,无法在已有的固体量子理论框架下得到解释。

图1是铜氧化物高温超导体随掺杂浓度p和温度T的变化相图,主要包含莫特绝缘体、超导、赝能隙、奇异金属和朗道费米液体5个相。高温超导体没有掺杂的母体材料是一个反铁磁莫特绝缘体,超导相是通过掺杂完全抑制掉这个反铁磁相后出现的。在超导相之上,欠掺杂区存在一个赝能隙,最佳掺杂区附近存在奇异金属相,在过掺杂区还存在一个与通常金属性质比较相似的朗道费米液体相。

这5个相中,除了超导和朗道费米液体相,其他的3个相的物理性质都不能在已有的固体量子理论中得到很好的描述和解释。特别是莫特绝缘体中元激发的微观描述、赝能隙产生的物理机理、超导的位相涨落、线性电阻以及电荷—自旋分离等问题,至今不能在一个统一的框架下得到满意的解释,是解决高温超导问题的主要障碍。

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