人类历史上关于美的评判标准是“与时俱进”的。别看现代女性以瘦为美,天天琢磨怎么减膘,在唐朝时代,古人可是以胖为美。白白胖胖的杨玉环被唐明皇集三千宠爱在一身,在宫中散步的画风恰如《簪花仕女图》中那样,走在前面的胖女人才是贵妃,后面的瘦子只配当侍女。其实,早在春秋战国时期,人们就无比企慕女胖子啦!
翻开诗经,在我们熟知的“硕鼠”之外,还经常可以看到“硕人”一词,所谓“有美一人,硕大且卷”说的就是——美丽的女胖子!或许那个时代,胖,就可能意味着善挨饿受冻,体力健壮,能生能养。这么说来,古代真是重量级女汉子的天堂啊!胖有胖的优势,胖也可能有胖的缺点。比如现代人的胖,大都是因为懒和贪吃造成的。娶一个胖子进家门,你也要掂量掂量家里米缸有多大,除非这个胖子真有独门本事。
普遍偏瘦的日本人,把他们对胖子的喜爱表达到了一项传统运动项目上——相扑。相扑场上,两个晃荡着肥膘的胖子,比赛谁能把对方推倒,自有观赏乐趣。日本美女明星喜欢相扑选手,已是众所皆知的秘密。可不,如果你是一名灵活的胖子,一点也不懒,还能靠胖来挣钱,谁会不喜欢呢?切记,胖,也要胖到点子上啊!
在超导材料中,有一类材料被称之为重费米子超导体,这就是超导界的“胖子”。胖从何方来?还得回头从金属导电性说起。
在绝大部分金属材料里面,原子的内层电子被束缚在了带正电的原子核周围,而外层电子往往距离原子核很远,加上内层电子的屏蔽效应,金属中的外层电子大都是“自在奔跑”的,称之为“巡游电子”。正是由于大量巡游电子的存在,金属才具有良好的导电能力。而在这种正常情况下,金属中的巡游电子应该是一个体型匀称的家伙,它的“有效质量”和金属外面完全独立自由的电子质量差异不大。
但是,不要忘了,电子还带有1/2的自旋,故而划分为费米子。电子的自旋导致电子除了可以产生电荷相互作用外,还可以产生磁相互作用。假设把材料中一个个带正电的原子实换成一个个的局域磁矩,那么电子的自旋同样可以与之产生相互作用,造成的物理现象远要比常规金属导电复杂。我们以金属中的电阻为例。一般来说,随着温度的下降,电子受到原子热振动的干扰就越小,电阻也随之下降。
如果发生超导,电阻会在临界温度处突降为零;如果没有超导,电阻会最终趋于一个有限大小的“剩余电阻”。有没有可能金属的电阻会在低温下反而上升?开尔文猜测电子在低温下会被“冻结”而导致运动迟缓,使得电阻上升。量子力学告诉我们,该理论当然是错误的,因为电子是费米子的缘故,在低温下它无法被“笼络”在一起,也就很难真正冻住。
但是实验物理学家总是不听话,偏偏要做出理论家不喜欢的实验结果——只要在足够纯净的金属样品里掺一点点的磁性杂质,如铁、锰等,在低温下金属电阻就随温度降低达到极小值后反而指数式地上升。这个结果让理论家很抓狂,包括解决常规金属超导理论的大物理学家巴丁,也百思不得解。终于,在某次小型学术研讨会上,一个精瘦的日本年青人在巴丁和派因斯等人面前展示了他的理论解释。
茅塞顿开的巴丁高度赞赏这位叫近藤淳的日本青年,并以他的名字命名这个物理现象为“近藤效应”,其物理实质在于金属中的巡游电子自旋会与掺杂磁性原子的局域磁矩发生耦合,低温下的自旋相互作用导致电子受到的散射增强。这意味着,金属中的磁性杂质周围,总是会聚集一堆“爱看热闹的”电子,以至于忘了赶路去导电了。
而扎堆的巡游电子也对磁性杂质形成了屏蔽效应,远处路过的电子就可能“视而不见”参与导电,电阻在足够低温下也会趋于一个饱和值。当金属中的磁性“杂质”浓度越来越大,以至于不再是杂质,而晶体内部局域磁矩就像那样有序排列起来——“近藤晶格”也就形成了。此情此景下,金属中的巡游电子就无法继续自由自在奔跑了,和局域磁矩的近藤相互作用必然导致电子奔跑过程中“拖泥带水”。
最终的结果,就是电子的有效质量迅速增加,原本体态匀称的家伙,变成了一个“大胖子”。这个胖子有多胖呢?说出来吓死人!费米子系统的有效质量与其比热系数成正比,常规金属如铜中电子比热系数约为1 mJ/mol·K2,但是近藤晶格中的“胖电子”导致的比热系数为100—1600 mJ/mol·K2,相当于有效质量是常规金属中的1000倍左右!
设想一下,体重50公斤的正常人,放到某个地方去,瞬间变成体重50吨的巨人,这该如何是好?由于近藤晶格中的电子是如此之重,该类材料又被统称为“重费米子”材料。胖子的世界你不懂,重费米子材料的物理性质也变幻多端,难以理解,至今仍然是物理学家头疼的大问题之一。