一種超導體的理論解決了另一種類型的難題

萊斯大學物理學家提出的2017年理論解釋了鐵基高溫超導體的矛盾行為，這有助于解決不同類型的非常規(guī)超導體 - 稱為CeCu2Si2的“重費米子”化合物的難題。

來自，，德國和加拿大的國際團隊在“ 科學院院刊”(PNAS)上報告了這一發(fā)現(xiàn)。該研究的重點是鈰，銅和硅復合材料，其在1979年的奇怪行為幫助開創(chuàng)了量子材料的多學科領域 。

那一年，由馬克斯普朗克研究所的PNAS論文的共同作者Frank Steglich領導的團隊 發(fā)現(xiàn)，CeCu2Si2在極冷的溫度下成為超導體?，F(xiàn)有理論無法解釋超導機制， 這一發(fā)現(xiàn) 是如此出乎意料和不尋常，以至于許多物理學家最初都拒絕接受它。1986年在銅陶瓷中發(fā)現(xiàn)更高溫度的超導電性， 引起了人們對該領域的興趣，并成為理論物理學家的職業(yè)生涯，如Rice的 Qimiao Si，PNAS研究合著者和Harry C. and Olga K. Wiess物理學教授和天文學。

Si與Steglich 長達數(shù)十年的合作 已導致近二十多項經(jīng)同行評審的研究表示，“在我最瘋狂的夢想中，我沒有想到我們?yōu)殍F基超導體提出的理論會回到其他部分。我的生命，這是重型費米子超導體。“

由于量子力在其行為中起著關鍵作用，因此物理學家稱量子物質(zhì)就像高溫超導體一樣，重質(zhì)費米子就像高溫超導體一樣。例如，在高溫超導體中，電子形成對并且在比常規(guī)超導性所需溫度更溫暖的溫度下無阻力地流動。在重費米子中，電子的質(zhì)量似乎是它們應有的數(shù)千倍。

2001年，同時負責量子材料研究中心(RCQM)的Si 提出了一個開創(chuàng)性的理論 ，即這些現(xiàn)象出現(xiàn)在關鍵轉折點， 即壓力或其他條件變化導致從一個量子狀態(tài)轉變?yōu)榱硪粋€狀態(tài)的臨界點。 。在臨界點或“量子臨界點”，電子在試圖跨越之間的界限時可以形成一種分裂的人格。

超導的情況 說明了這種情況 如何發(fā)揮作用。在普通的銅線中，當電子流動并撞擊線中的原子時會產(chǎn)生電阻。每個凸起都會消耗少量能量，而這些能量會因熱量而損失。在超導體中，電子通過配對和流動來避免這種損失，沒有任何顛簸。

因為電子是最反社會的亞原子粒子之一，它們彼此排斥并且僅在特殊情況下配對。在傳統(tǒng)超導體的情況下，過冷電線中原子間距的微小變化可以誘導電子進入方便的結合。非常規(guī)超導體的機制 是不同的。

“我們的統(tǒng)一理解是，如果兩個電子真的很難相互排斥，那么仍然會有吸引力，”Si說。“如果我感動，因為我不喜歡親近你，你也在做同樣的事情，但我們不能相距太遠，它就變成了一種舞蹈。高溫超導體中的兩對相互移動，與兩個旋轉的舞伴不同，即使它們在舞池中一起移動也是如此。

由Si和當時的研究生Emilian Nica提出 的 2017年理論，現(xiàn)在是不列顛哥倫比亞大學量子材料研究所的博士后研究員，他認為原子軌道內(nèi)的選擇性配對 可以解釋一些最高溫度的令人費解的實驗結果超導體，堿金屬硒化鐵。

一些實驗表明，堿性硒化鐵中的成對表現(xiàn)得好像它們的角動量為零，物理學家用術語s波表示，而其他實驗表明這對成對的角動量為2，物理學家稱之為d -波。這種差異很大，因為角動量是電子的基本標識符。就像在雜貨店的不同垃圾箱中發(fā)現(xiàn)蘋果和橙子一樣，s波和d波配對不會混合，并且可以在不同的材料中找到。

“Nica的論文介紹的是，你可以有超導狀態(tài)，其中與子殼的一個軌道相關的電子對與同一子殼中另一個密切相關的軌道的電子對非常不同，因為它們具有相反的符號，”Si說。

“我們提出這種多軌道配對狀態(tài)的原因是因為測量某些東西，如磁響應，會顯示堿性硒化鐵具有規(guī)范的d波特征，而其他測量，如角分辨光發(fā)射，則顯示出與之相關的屬性。 s波超導體。

“鐵基超導體的實驗已經(jīng)完成，我們提供了一個解釋，一個既穩(wěn)定又穩(wěn)健的配對狀態(tài)，但卻具有實驗觀察到的所有這些看似矛盾的特性。”

當 2017 年的實驗在CeCu2Si2中發(fā)現(xiàn)一些令人費解的特性時，Si告訴Steglich，軌道選擇理論可能能夠解釋它們。他們一起與 杭州浙江大學相關物質(zhì)中心副主任 物理學家Huiqiu Yuan的實驗團隊聯(lián)手 測試了這個想法。

Si和Nica的理論預測，實驗將揭示CeCu2Si2的一組看似矛盾的測量結果，前提是材料可以冷卻到比產(chǎn)生超導性的臨界點更冷的溫度。袁的小組進行了實驗并確認了預測。

尼卡說：“歷史證據(jù)一直是這種材料的配對是d波。” “但實驗證實，盡管有大量證據(jù)證明它是d波，但它確實有一個叫做'完全開口的間隙'的特征，通常與s波超導體有關。到目前為止，我們提供的唯一理論可以說明這一點。“

斯說，“它在幾個層面上都非常令人滿意。一個是，雖然凝聚態(tài)物理提供了許多可以容納迷人屬性的材料，但我們最終都在尋求統(tǒng)一的原則，特別是作為理論家。多年來我一直在積極尋找這些統(tǒng)一的原則，但是當我們提出這個理論時，我們并沒有積極尋求統(tǒng)一的解釋。為了看到這種效果，在另一個完全出乎意料的環(huán)境中出現(xiàn)這種效果真是一個驚喜。“

Steglich是德國德累斯頓Max Planck固體化學物理研究所的名譽創(chuàng)始人，負責浙江相關物質(zhì)中心的工作。浙江和德累斯頓的團隊都是賴斯量子材料中心的合作伙伴。RCQM利用全球合作伙伴關系和20多個賴斯研究小組的優(yōu)勢，解決與量子材料相關的有趣和重要問題。通過國際交往提高研究成果和擴大賴斯的影響力和影響是賴斯二世紀，二十年(V2C2)愿景的目標之一。