亟待突破的超导时代

来源：缘来理院

即将走上高考考场的中学生朋友们，这段时间大家除了复习，最关心的应该就是如何挑选自己的大学和专业了吧。作为一个长期从事超导研究的大学教师，我非常愿意与大家分享我在这个领域的感受，同时也非常欢迎大家成为我们的同行者。

超导现象及其量子本质

理想导电性是超导体最为人熟知的特性，而完全抗磁性大家可能就比较陌生了。这个神奇的性质有许多迷人的演示，比如下面这个。初次看到这个演示，你是否好奇那块金属究竟被施了什么法术呢？

演示超导体完全抗磁性的一个迷人的实验，以上视频由以色利特拉维夫大学物理系制作。

也可直接访问以下网址观看：https://www.wimp.com/quantum-levitation/

超导现象是荷兰莱顿大学的Kamerlingh Onnes于1911年首次发现的，通常只在极低的温度下才能发生。现在人们知道，超导是一种宏观量子现象。超导体中的电子可以步调一致地以德布罗意波的方式非局域地（非接触地）感受磁场的作用，从而将单个电子微弱的波粒二象性放大到宏观尺度。然而，是什么原因导致超导体中电子运动发生量子协同？如何使这种宏观量子现象在更容易实现的条件下发生？利用这一现象可以实现哪些重要或新奇的应用？对于以上三个问题的探索构成了超导研究的主体。

超导研究的意义

超导研究具有重大的应用意义。在强电应用方面，除了大家熟悉的超导直流输电和超导磁悬浮之外，超导体还可以用来产生强大的磁场。这种强大的磁场不仅可以用于粒子加速器和极端条件下的前沿基础研究，也可以用于高分辨医学成像等与人们生活密切相关的领域。更重要的是，强磁场提供的磁约束是人类实现受控热核聚变，从而终极解决能源问题的不可替代的技术手段。在弱电应用方面，超导量子干涉技术使人类探测磁信号的灵敏度达到了一个磁通量子的水平（一个磁通量子约等于2*10^-15韦伯）。同时，超导量子比特是目前构造量子计算机最有希望的硬件单元，而拓扑超导体则是实现拓扑保护的量子计算最有希望的材料体系。与我们日常生活密切相关的一个超导弱电应用是，利用理想导电性我们可以制造具有超高品质因子的超导滤波器，这为提高电子通讯的带宽和保真度提供了极大的空间。当然，超导的应用并不限于以上这些可能。如何将超导这朵量子物理的奇葩转化为造福人类的技术需要更多睿智的头脑和灵巧的双手的参与。

超导研究同时也具有重大的基础物理意义。例如，超导电性的金兹堡-朗道理论不仅是朗道关于物态的对称破缺思想最伟大的应用之一，也为后世有效场思想在物理学中的广泛应用奠定了基础。又如，Anderson对于超导体中规范对称破缺的研究为粒子物理中Anderson-Higgs机制的提出提供了重要的启发。还有，超导BCS理论对于从原子核结构到中子星物理这个宽达13个量级的尺度里的物理研究提供思想源泉。最后，对于铜氧化物高温超导机理的长达三十年的持续求索为人类超越现有凝聚态物理框架，发展全新的量子物态理论提供了重要的物理线索和机遇。

超导研究的现状和挑战

由于超导发生所需的极低温条件极大地阻碍了超导体的实际应用，提高超导临界温度一直是超导研究的核心目标之一。然而，经过六十多年的努力，超导临界温度的记录只是从当初的4.2K（金属汞, 1911年）提升到23.2K（铌三锗，1973年）。人们甚至一度悲观地认为超导临界温度不会超过40K（麦克米兰极限）。但是在1986年，IBM苏黎世研究所的Bednorz和Muller在一类铜氧化物中发现了超越上述极限的可能。在之后不到两年的时间里，人们通过元素替代将这类铜氧化物的超导临界温度提升到135K（目前常压下的临界温度记录）。其中，中科院物理所赵忠贤先生和Huston大学朱经武先生各自领导的研究组首先突破了液氮温度极限（77K）。在铜氧化物高温超导体之后，超导研究的另一个高峰是东京工业大学的Hosono研究组于2006年发现的铁基超导体。通过中外科学家的共同努力，铁基超导体的临界温度很快也突破了40K的极限，甚至显示出超越77K极限的证据。在这一领域，中国科学家表现非常出色，目前铁基超导体的临界温度记录仍然由中国科学家保持。在最近三十年里，超导研究的目标也逐步多样化。这些年来，人们发现了大量性质不同于传统超导体的非常规超导体，例如拓扑非平庸的超导体。这些超导体的临界温度虽然较低，但是对于这些超导体的研究不仅有助于深化我们关于超导机理的认识，也有助于实现一些新奇的应用，如量子计算。尽管已经取得了这些辉煌的成就，人们仍然希望有朝一日我们可以在常温常压的条件下实现能承载更强超电流的超导体，也希望我们能够为实现量子计算找到更加可靠的硬件平台，从而为人类解决能源和信息处理这两个终极挑战带来希望。这些希望的实现都需要未来的你的参与。在超导机理研究方面，金兹堡-朗道理论（1950年）揭示了超导现象的实质在于电子运动的宏观量子相干，而BCS理论（1957年）则告诉我们，通过动态地共享晶格畸变发生的电子配对以及电子对的玻色凝聚是实现上述宏观量子相干的一种可能途径。然而，在高温超导体的研究中人们发现，BCS理论赖以成立的前提，即电子在进入超导态之前近似独立地运动这一假设，并不成立。同时，在高温超导体中观察到的一些奇异物态的性质，并不能按照朗道物态理论通过对称性的破缺来加以刻画。而以上两点正是凝聚态物理的两块基石。因此，任何关于高温超导机理的完整理解必然包含对于现有凝聚态物理框架的突破，其核心是解决如何处理电子运动的强关联效应这一问题。近三十年来，这方面的研究已经取得了大量的成果，但是离形成系统的理论还有不小的距离。另外，人们最近发现，关于高温超导体奇异物态和强关联效应的研究与黑洞物理、夸克-胶子等离子体、处于幺正散射极限的超冷原子体系以及量子混沌的研究有着密切的关系。这些问题都向未来的研究者提出了强有力的挑战。

超导研究的主要手段

超导研究主要有以下四种手段。在许多实际研究中，人们通常会结合不止一种手段。这四种手段是：

1. 新的超导材料的探索以及高质量超导样品的制备。这既是创造新的超导临界温度记录的必要途径，也是开展后续超导机理实验研究的基础。近些年来，超导新材料的探索开始逐渐摆脱主要依赖实验者个人经验的既有模式，更多地与材料物性的计算机模拟和大数据搜索结合。同时，人们开始更多地关注在精确控制的条件下生长的人工材料的超导特性。

2. 超导材料物理性质的测量和分析。人们主要关注的是体系的各种电子能谱行为，输运行为和热力学行为。其中，各种电子能谱由于其提供的信息直接反映电子运动的微观特征，对于超导机理的研究格外有用。几种常用的电子能谱手段包括角分辨光电子能谱（ARPES），非弹性中子散射谱（INS），核磁共振谱（NMR），扫描隧道显微谱（STM），光电导谱和电子Raman谱，共振非弹性X-射线散射谱（RIXS）等等。

3. 超导材料物性的计算机模拟。随着计算机运算能力的提高，尤其是超级计算机的普遍应用，这一手段逐渐成为发现新的超导材料和研究超导机理的重要选择。人们既可以通过对潜在的超导材料的计算机模拟向材料学家提出制备建议，也可以通过对已知的超导材料的计算机模拟为进一步的微观理论建模提供关键信息。

4. 超导机理的理论研究。这既包含从低能有效模型出发对实验结果的分析和拟合，或者反过来从实验结果中抽象出低能有效模型的唯象理论研究，也包含从微观模型出发，通过解析或数值的方法研究其在长波低能极限下物理行为，从而导出低能有效模型的微观理论研究。超导机理理论研究的终极目的是通过低能有效模型这一桥梁，建立实验现象和微观相互作用过程的逻辑联系。

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