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)隊在“ 科學(xué)院院刊”(PNAS)上報告了這一發(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 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(dǎo)體提出的理論會回到其他部分。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。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，同時負(fù)責(zé)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(guān)鍵轉(zhuǎn)折點(diǎn)， 即壓力或其他條件變化導(dǎo)致從一個量子狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€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(dǎo)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(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(yuǎn)，它就變成了一種舞蹈。高溫超導(dǎo)體中的兩對相互移動，與兩個旋轉(zhuǎn)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(dāng)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(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 可以解釋一些最高溫度的令人費(fèi)解的實(shí)驗結(jié)果超導(dǎo)體，堿金屬硒化鐵。

一些實(shí)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(xué)家用術(shù)語s波表示，而其他實(shí)驗表明這對成對的角動量為2，物理學(xué)家稱之為d -波。這種差異很大，因為角動量是電子的基本標(biāo)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(dǎo)狀態(tài)，其中與子殼的一個軌道相關(guān)的電子對與同一子殼中另一個密切相關(guān)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(yīng)，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(guān)的屬性。 s波超導(dǎo)體。

“鐵基超導(dǎo)體的實(shí)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(shí)驗觀察到的所有這些看似矛盾的特性。”

當(dāng) 2017 年的實(shí)驗在CeCu2Si2中發(fā)現(xiàn)一些令人費(fèi)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(xué)相關(guān)物質(zhì)中心副主任 物理學(xué)家Huiqiu Yuan的實(shí)驗團(tuán)隊聯(lián)手 測試了這個想法。

Si和Nica的理論預(yù)測，實(shí)驗將揭示CeCu2Si2的一組看似矛盾的測量結(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)驗并確認(rèn)了預(yù)測。

尼卡說：“歷史證據(jù)一直是這種材料的配對是d波。” “但實(shí)驗證實(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(dāng)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(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多個賴斯研究小組的優(yōu)勢，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。