一種超導(dǎo)體的理論解決了另一種類型的難題

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

來自，，德國和加拿大的國際團(tuán)隊(duì)在“ 科學(xué)院院刊”(PNAS)上報(bào)告了這一發(fā)現(xiàn)。該研究的重點(diǎn)是鈰，銅和硅復(fù)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(xué)科領(lǐng)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(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì) 發(fā)現(xiàn)，CeCu2Si2在極冷的溫度下成為超導(dǎo)體?，F(xiàn)有理論無法解釋超導(dǎo)機(jī)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(xué)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(dǎo)電性， 引起了人們對(duì)該領(lǐng)域的興趣，并成為理論物理學(xué)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(xué)教授和天文學(xué)。

Si與Steglich 長達(dá)數(shù)十年的合作 已導(dǎo)致近二十多項(xiàng)經(jīng)同行評(píng)審的研究表示，“在我最瘋狂的夢(mèng)想中，我沒有想到我們?yōu)殍F基超導(dǎo)體提出的理論會(huì)回到其他部分。我的生命，這是重型費(fèi)米子超導(dǎo)體。“

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

2001年，同時(shí)負(fù)責(zé)量子材料研究中心(RCQM)的Si 提出了一個(gè)開創(chuàng)性的理論 ，即這些現(xiàn)象出現(xiàn)在關(guān)鍵轉(zhuǎn)折點(diǎn)， 即壓力或其他條件變化導(dǎo)致從一個(gè)量子狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€(gè)狀態(tài)的臨界點(diǎn)。 。在臨界點(diǎn)或“量子臨界點(diǎn)”，電子在試圖跨越之間的界限時(shí)可以形成一種分裂的人格。

超導(dǎo)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(dāng)電子流動(dòng)并撞擊線中的原子時(shí)會(huì)產(chǎn)生電阻。每個(gè)凸起都會(huì)消耗少量能量，而這些能量會(huì)因熱量而損失。在超導(dǎo)體中，電子通過配對(duì)和流動(dòng)來避免這種損失，沒有任何顛簸。

因?yàn)殡娮邮亲罘瓷鐣?huì)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(duì)。在傳統(tǒng)超導(dǎo)體的情況下，過冷電線中原子間距的微小變化可以誘導(dǎo)電子進(jìn)入方便的結(jié)合。非常規(guī)超導(dǎo)體的機(jī)制 是不同的。

“我們的統(tǒng)一理解是，如果兩個(gè)電子真的很難相互排斥，那么仍然會(huì)有吸引力，”Si說。“如果我感動(dòng)，因?yàn)槲也幌矚g親近你，你也在做同樣的事情，但我們不能相距太遠(yuǎn)，它就變成了一種舞蹈。高溫超導(dǎo)體中的兩對(duì)相互移動(dòng)，與兩個(gè)旋轉(zhuǎn)的舞伴不同，即使它們?cè)谖璩刂幸黄鹨苿?dòng)也是如此。

由Si和當(dāng)時(shí)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(xué)量子材料研究所的博士后研究員，他認(rèn)為原子軌道內(nèi)的選擇性配對(duì) 可以解釋一些最高溫度的令人費(fèi)解的實(shí)驗(yàn)結(jié)果超導(dǎo)體，堿金屬硒化鐵。

一些實(shí)驗(yàn)表明，堿性硒化鐵中的成對(duì)表現(xiàn)得好像它們的角動(dòng)量為零，物理學(xué)家用術(shù)語s波表示，而其他實(shí)驗(yàn)表明這對(duì)成對(duì)的角動(dòng)量為2，物理學(xué)家稱之為d -波。這種差異很大，因?yàn)榻莿?dòng)量是電子的基本標(biāo)識(shí)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(duì)不會(huì)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(dǎo)狀態(tài)，其中與子殼的一個(gè)軌道相關(guān)的電子對(duì)與同一子殼中另一個(gè)密切相關(guān)的軌道的電子對(duì)非常不同，因?yàn)樗鼈兙哂邢喾吹姆?hào)，”Si說。

“我們提出這種多軌道配對(duì)狀態(tài)的原因是因?yàn)闇y(cè)量某些東西，如磁響應(yīng)，會(huì)顯示堿性硒化鐵具有規(guī)范的d波特征，而其他測(cè)量，如角分辨光發(fā)射，則顯示出與之相關(guān)的屬性。 s波超導(dǎo)體。

“鐵基超導(dǎo)體的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)完成，我們提供了一個(gè)解釋，一個(gè)既穩(wěn)定又穩(wěn)健的配對(duì)狀態(tài)，但卻具有實(shí)驗(yàn)觀察到的所有這些看似矛盾的特性。”

當(dāng) 2017 年的實(shí)驗(yàn)在CeCu2Si2中發(fā)現(xiàn)一些令人費(fèi)解的特性時(shí)，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(xué)相關(guān)物質(zhì)中心副主任 物理學(xué)家Huiqiu Yuan的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)聯(lián)手 測(cè)試了這個(gè)想法。

Si和Nica的理論預(yù)測(cè)，實(shí)驗(yàn)將揭示CeCu2Si2的一組看似矛盾的測(cè)量結(jié)果，前提是材料可以冷卻到比產(chǎn)生超導(dǎo)性的臨界點(diǎn)更冷的溫度。袁的小組進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)并確認(rèn)了預(yù)測(cè)。

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

斯說，“它在幾個(gè)層面上都非常令人滿意。一個(gè)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(dāng)我們提出這個(gè)理論時(shí)，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(gè)完全出乎意料的環(huán)境中出現(xiàn)這種效果真是一個(gè)驚喜。“

Steglich是德國德累斯頓Max Planck固體化學(xué)物理研究所的名譽(yù)創(chuàng)始人，負(fù)責(zé)浙江相關(guān)物質(zhì)中心的工作。浙江和德累斯頓的團(tuán)隊(duì)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(guān)系和20多個(gè)賴斯研究小組的優(yōu)勢(shì)，解決與量子材料相關(guān)的有趣和重要問題。通過國際交往提高研究成果和擴(kuò)大賴斯的影響力和影響是賴斯二世紀(jì)，二十年(V2C2)愿景的目標(biāo)之一。