超导“小时代”之二十五:印象大师的杰作

作者: 太阳骑士

来源: 中国物理学会期刊网

发布日期: 2018-02-19 10:05:59

本文探讨了高温超导体的复杂性及其与印象派艺术的相似之处,指出了高温超导体的“脏、乱、差”特性及其与电子关联效应的关系。

在第十二节,我们讲到了超导理论界的“印象派”——超导唯象理论。的确,在寻找常规超导理论道路上,唯象理论起到了非常有价值的推进作用,最终催生了BCS超导微观理论。然而,当遭遇到铜氧化物高温超导体时,许多在常规超导体中用起来“顺手”的理论都面临囧境,一切起因于高温超导的复杂性。如同前面两节介绍的,高温超导体“善变”难以捉摸,许多物性都是“花相似”却“实不同”,这两点已经够让理论家头疼要命了。

实验物理学家却还要告诫理论研究者们,高温超导还有更令人郁闷的一面,它是十足的“印象派”——在各种物理性质上都看起来纷繁无章。就像一幅印象派的名画,你大约知道他画的是什么,却要面对一团难以辨识的各种色彩,以致于无法搞清楚具体画的到底是什么。

在常规超导材料里面,自然一切都显得清晰明了,测量到的许多物性都是毋庸置疑的,所以在金属电子论的基础上,常规超导微观理论得以建立。

在高温超导研究面前,情形要远远比想象中的复杂,实验研究越深入,获得的结果就越糊涂。强行采用“印象派”的唯象理论来理解“印象派”的高温超导,或许可以给出粗略的解释,李政道先生就为此做出过尝试,不过没有获得完全成功。若要真正理解高温超导,必须建立完善的高温超导微观理论,这一步,着实艰难。

铜氧化物高温超导材料的“印象派”体现在多个方面,包括晶体结构、原子分布、杂质态、电子轨道分布、微观电子态、超导能隙等,均是一团团理不清的乱麻。

总之,印象派高温超导体概括起来就是三个字:“脏、乱、差”。必须要把“纯净”的绝缘体进行掺杂来搞脏了,才会出现超导,结构和电子态分布极其混乱,超导态本身仪容似乎也是无比邋遢地差。真是“剪不断、理还乱”,长期把物理学家困扰到吐血。

其中主要原因,可能是与电子的关联效应有关。如前面几节讲到的,铜氧化物高温超导体中的电子,并不像我们理解的传统金属电子那样可以近似看成独立运动的自由电子,反而是各个手牵手的关联电子态。这种关联电子态,在牵手配成库珀电子对之后,仍然是存在很强的关联效应的。电子关联效应的存在,使得整体能够“牵一发而动全身”,也能在纷纷乱乱中寻找到集体的“inner peace”——形成高温超导现象。

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