物理學圣杯：高溫超導

近 40 年來，理解高溫超導現象是物理學研究的一座 " 圣杯 "。所謂高溫超導，指的是有些材料，可以在比傳統的低溫超導體高得多的溫度下，以零電阻導電。如果能將這樣的超導材料開發成室溫超導體，就能最終實現電能的 100% 高效傳輸，并帶來從懸浮列車到量子計算機等一系列令人嘆為觀止的新應用。

然而，到目前為止，高溫超導背后的原子級尺度機制一直不為人知。為此，科學家已經提出了幾種可能的理論。現在，其中一個最有前景的理論得到了一項歷時數年之久的實驗的驗證。

一個國際物理學研究團隊實現了在原子級尺度上直接可視化一種被稱為銅氧化物的高溫超導材料的超導性，并最終揭示了這一現象的機制。他們已將結果發表在了近期的《美國國家科學院院刊》雜志上。

低溫超導：BCS 理論

超導材料最初發現于 1911 年，當時，荷蘭物理學家海克 · 卡末林 · 昂內斯（Heike Kamerlingh Onnes）正在研究汞的電學特性。他發現當將一根汞線冷卻到 4K（比絕對零度高 4 度，-269 ℃）左右時，汞的電阻驟然消失了。當他對溶液施加電流時，電流甚至在電池斷開后依然存在。

直到上世紀 50 年代末，這種 "低溫超導" 背后的機制才由約翰 · 巴丁（John Bardeen）、利昂 · 庫珀（Leon Cooper）和約翰 · 施里弗（John Schrieffer）闡明。以他們三人名字的縮寫而命名的BCS 理論解釋了這一現象，表明在低溫超導體中，移動的電子會以穩定的 "庫珀對" 結合在一起。當庫珀對形成時，超導就出現了。庫珀對可以在材料中無損耗運動，不會因為任何的隨機反彈而產生阻力，因而最小化了電阻，形成超導電流。

電子結合成庫珀對是由電子和材料中的金屬原子的熱振動之間的耦合相互作用，即電子聲子相互作用引起的。熱振動會將電子 " 粘合 " 在一起，當一個帶負電的電子在原子間飛行時，它會吸引帶正電的原子核，引發漣波。這個漣波會吸引第二個電子。在克服了強烈的電斥力后，兩個電子就會形成 " 庫珀對 "。

不過，這種效應只在非常低的溫度下發生，因為更高的溫度會使電子擁有更多的熱能，從而能掙脫束縛著庫珀對的化學鍵。因此，低溫超導體（如用于核磁共振儀的超導體）必須在極低的溫度才能發揮作用，使它們的應用受到了很大的限制。

銅氧化物和超交換

1986 年，物理學家在銅氧化物材料中，意外地發現了臨界溫度大約為 30K（-243 ℃）的 " 高溫 " 超導。很快，其他小組也制造出了相關材料，相繼發現了其他臨界溫度高于 100K 的銅氧化物，以及高于 130K 的銅氧化物。盡管這些材料仍然需用液氮來冷卻，但與需要用液氦來冷卻到更低溫度的傳統超導材料相比，銅氧化物材料要實用得多。

幾十年來，物理學家一直困惑于這些銅氧化物晶體的超導能力，它們的高溫超導機制至今仍是未知的。但是，就在高溫超導現象出現的幾個月之后，諾貝爾獎得主、凝聚態物理學的傳奇人物菲利普 · 安德森（Philip Anderson）就提出了一個理論。他認為，銅氧化物的高溫超導特性并不是由電子與熱振動的相互作用導致的，而是應該歸因于一種被稱為超交換作用的量子現象。

超交換是一種由電子跳躍能力產生的力。根據安德森的理論，每個銅電子就像一個小的具有南北兩極的磁鐵棒，它們具有一種被稱為 "磁自旋" 的特性。超導的 "電荷轉移超交換" 理論認為，在相鄰的銅原子中，磁自旋會在中間的氧原子的幫助下，通過量子力學通信，與相反的磁自旋結合成電子對，形成強大的庫珀對。

理論上，這種電子配對的強度是由銅原子和氧原子的內部軌道能級差控制的，即所謂的電荷轉移能。這是因為磁超交換相互作用的強度，微妙地取決于一個電子能否通過中間的氧軌道，輕易地在銅原子之間跳躍。

換句話說，如果電荷轉移超交換理論是正確的，那么電子配對的強度將會以一種非常特定的方式，依賴于結構中每個氧原子和每個相鄰銅原子軌道上的電荷轉移能量差。

超級顯微術

然而長期以來，物理學家們一直難以驗證安德森的這一理論，因為他們并沒有能夠直接測量電子對的波函數或電荷轉移能的方法，特別是無法對材料中的每個原子進行測量。

牛津大學教授J. C. Séamus Davis已經研究這個問題 25 年了，他領導了一項新的實驗來驗證超交換理論。他與團隊逐漸發展了兩種能在原子級水平上仔細研究銅氧化物的顯微鏡技術。

首先，他們改進了一種已有的掃描隧道顯微術。這是一種能以位置函數的形式測量銅原子和氧原子軌道之間的能量差的技術，它涉及到將一根針在表面拖曳，測量在針尖與表面之間跳躍的電子電流。通過將針的普通金屬尖端換成超導尖端，并將其掃過銅氧化物，他們測量到了電子對而不是單個電子。這讓他們可以繪制出每個原子周圍的庫珀對密度。第二種方法叫做掃描約瑟夫森隧道顯微術，它可以測量每個氧原子和每個銅原子上的電子對的波函數的振幅。

在新研究中，通過將超導電子對的密度可視化為軌道能量之間的電荷轉移之差的函數，研究人員有力地表明了超交換是實現高溫超導的關鍵機制。測得的跳躍能量和庫珀對密度之間的關系，與基于安德森的理論作出的預測結果一致：在電子難以跳躍的地方，超導性很弱；容易跳躍的地方，超導性強。

歷史性的進展

新的實驗結果為安德森的理論提供了直接的證據，為這一研究領域奠定了新的方向。這樣的結果將激勵著化學家和材料科學家們繼續鉆研銅氧化物，繼續朝著室溫超導邁進。

這是近 40 年來物理學研究的圣杯問題之一，新的結果可能是室溫超導發展的歷史性一步。現在，研究人員可以更專注于發展和利用這一理論，設計出具有更高工作溫度的新型超導材料。最終，這些材料將可以得到深遠的應用，比如磁懸浮列車、核聚變反應堆、量子計算機和高能粒子加速器 …… 為人類文明帶來革命性的改變。