众盲摸象,各说异端,忽遇明眼人又作么生?——宋·释道原《景德传灯录》
据《大般涅槃经》记载,古印度有位叫做“镜面”的国王,为了劝诫百姓皈依佛法,特举办了一场“盲人摸象”活动,找了十数位盲人来摸大象的一部分,让他们说出大象的模样。结果答案是:“其触牙者即言象形如芦菔根,其触耳者言象如箕,其触头者言象如石,其触鼻者言象如杵,其触脚者言象如木臼,其触脊者言象如床,其触腹者言象如瓮,其触尾者言象如绳。
”摸到不同部位,道出的大象形状完全不同。真的大象长什么样,显然单靠一个盲人说辞是不靠谱的,而若综合各位盲人的描述,大象的雏形也许就勾勒出来了。
在高温超导这头“庞然大象”面前,其复杂多变和难以认知程度已经远远超出人们的理解能力,科学家能做的,也只能充当“盲人”,用各种实验工具来测量这头“大象”,然后综合各种结果来推断“大象”的模样。
令人抓狂的是,高温超导“大象”本身也是个瞎子,它并不会引导科学家去摸哪个部位,就让他们一通瞎摸十八遍。令人庆幸的是,在狂摸高温超导“大象”的过程中,科学测量技术的精度和能力与日俱增,“科学盲人”的手越来越敏感和精细。随着“盲人摸瞎象”发展革新出来各种凝聚态物理测量技术,已经广泛应用到多个研究领域,催生了许多新物理现象的发现。
在这一节,我们暂且不介绍超导研究历史和具体物理问题,先来认识清楚一部分神奇的摸象盲人,看看他们的各自神通,特别是在超导研究中的作用。希望读者能借此了解一些超导研究实验手段,进而促进对超导物理的深入理解。
1 “透视盲人”——晶体衍射技术
2 “辨味盲人”——成分分析技术
3 “显微盲人”——电子显微技术
4 “搬运盲人”——输运测量
5 “光电盲人”——光电子能谱 (ARPES)
6 “多面盲人”——中子散射谱 (Neutron scattering)
7 “颤核盲人”——核磁共振谱 (NMR)
8 “触电盲人”——扫描隧道谱 (STM/STS)
9 “电动盲人”——拉曼 (Raman) 和红外光谱
10 “磁敏盲人”——缪子自旋共振/旋转/弛豫谱 (μSR)
11 “振 X 盲人”——共振非弹性 X 射线谱 (RIXS)
大致总结来说,超导研究中常用的手段可以分为三类:表征手段、输运手段和谱学手段。表征即对材料形貌、结构、成分等进行初步的测量,说明材料的基本性质;输运手段是测量材料在电、磁、热等宏观上的物理特性;谱学手段是利用光子、电子、中子、缪子等各种探测媒介与材料发生相互作用,从而测量其内部的微观结构和动力学过程。无论什么手段,都只是一种测量方法或了解物性的途径,也就是说,其中一位“摸象盲人”。
要想彻底理解超导这头大象,需要各位“摸象盲人”的全面配合,得到多角度全方位的综合信息,从中提取出有用且准确的部分,最终才能得出“大象是什么样”的结论。