超导“小时代”之二十七:盲人摸瞎象

作者: 罗会仟

来源: 中国物理学会期刊网

发布日期: 2018-03-23 10:29:38

本文通过“盲人摸象”的寓言故事,介绍了高温超导研究的复杂性和科学家如何通过各种实验手段来逐步认识这头“大象”。文章详细列举了多种用于超导研究的实验技术,包括晶体衍射技术、成分分析技术、电子显微技术、输运测量、光电子能谱、中子散射谱、核磁共振谱、扫描隧道谱、拉曼和红外光谱、缪子自旋共振/旋转/弛豫谱以及共振非弹性X射线谱等。这些技术被形象地比喻为“摸象盲人”,通过多角度的综合信息,科学家们试图彻底理解超导的本质。

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。

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