超導的秘密，或許就藏在這個奇怪的金屬裏_風聞

今年上半年，隨着曼徹斯特大學的Dias教授在美國物理學會上宣佈實現了室温超導，這個概念在各個社交平台上大火，多篇相關的論文跟着發了出來，B站上甚至還有直播實現室温超導。

但子彈飛了半年後，以Dias為首的多篇論文全被撤回，室温超導這一話題很快地消失在人們的視野中。

除了室温超導外，大家或許聽過低温超導和高温超導。三者的區別顯而易見——實現超導的温度不同。從字面意思看，三者的温度是從低到高。但實則，低温超導温度最低，室温超導的温度遠高於高温超導。

目前低温超導（0到40K，即-273到-233攝氏度）和高温超導（40K到130K上下。也即-233到-143攝氏度）是可以實現的。而低温超導有一套相當準確的理論可以描述（BCS理論），但高温超導的相關理論卻依舊是一個謎團。

與通常以合金為材料的低温超導不同，高温超導的材料是一種名為“奇異金屬”的材料。

聽名字就夠怪了吧。這種材料在相對低温時超導，超過了臨界點後電阻上升，這跟一般金屬沒區別。但奇異金屬與眾不同的是，一般金屬的電阻隨着温度的二次方增長，奇異金屬的電阻卻隨着温度線性增長。

銅氧化物電阻隨温度變化

該如何解釋呢？

自從1986年第一次發現奇異金屬後，這個問題就始終沒得到回答。列夫·朗道的費米液體理論準確描述了一般金屬，但在奇異金屬身上已然失效，科學家們找不到合適的理論，而這也成了凝聚態物理領域的一大謎題。

但為了更好地理解和應用高温超導，科學家們必須啃下這塊兒硬骨頭。

最近，萊斯大學教授道格拉斯·納特爾森（Douglas Natelson）和他的博士生陳立陽等人做了一個實驗，有望驅散籠罩着高温超導的迷霧。

他們用奇異金屬製備了納米級導線，使電流通過。實驗測得該導線中的電流流動十分均勻且平穩，與一般金屬中的電流判若雲泥。這出乎了他們意料，但同時又在情理之中。

情理之中，是指他們預料到奇異金屬中的電流會與眾不同。但他們沒料到，這種均勻的電流中似乎沒有任何帶電粒子，就像找到了一種沒有水分子的水。

所以到底是怎麼一回事呢，這一結果對解開奇異金屬之謎，理解高温超導有什麼幫助嗎？

金屬中的電子

我們前面提到，奇異金屬中的電阻隨温度呈線性增長。

要理解這一現象的奇怪，我們必須首先從電阻與温度的本質説起。

中學物理老師講過，電阻是電子通過導體時受到的阻礙程度。而温度，嗯，好像就是温度。

老師並不會繼續深入下去，但會告訴你：電阻越大，導體越容易發熱。

温度與電阻的關係，從微觀世界的角度去解釋會非常清晰：

電阻，實際上是導體內部的原子、離子、晶格等微觀結構，與電子發生碰撞，使其運動受到阻礙。這一現象也叫電子散射。

而温度，在金屬中本質上是原子的振動。當材料的電阻高，電子與原子的碰撞幾率大。而每次碰撞，電子的一部分能量就會轉移給原子，使其振動加劇，從而使得材料温度上升。

可以發現電阻與温度，和電子行為息息相關。所以，要理解電阻隨温度線性上升的直線為何如此奇怪，瞭解奇異金屬中的電子行為尤其重要。

我們先來説一説一般金屬中的電子。

在一般金屬中，電阻隨温度的平方上升，這一規律正是朗道的費米液體理論所描述的。

金屬中的電子是如何運動的？大家在中學時都知道，金屬是導體，其中價電子可離開金屬原子，自由移動。

這種認識其實是有偏差，但也有其正確性的。為什麼這麼説呢，聽我一步步道來。

在量子力學出現前，物理學家Drude將金屬中的價電子視作自由氣體。

小學生都知道，固態、液態和氣態三態的不同來源於分子間的相互作用力（範德華力）不同。固體分子間相互作用力最大，氣體分子間相互作用力最小，基本可以忽略，液體分子間相互作用力居中。

Drude認為金屬作為導體，其價電子間像氣體一樣無任何相互作用，因此也像氣體分子那樣遵從玻爾茲曼統計分佈。按照這一規律，相同能量的粒子可以擁有無數種運動狀態。

但在量子力學的重要原則——泡利不相容原理被發現後，這一理論就崩壞了。

依據泡利不相容原理，同一能級的電子的量子態是有限的，這與玻爾茲曼統計分佈衝突。

遵循泡利不相容原理的粒子的分佈規律為費米統計分佈，就是粒子依據能量從低到高依次排序，一個蘿蔔一個坑直到佔滿。這樣分佈的粒子叫費米子，電子就是一種費米子，這也是“費米”液體前綴的來由。

另一方面，科學家們經過計算發現，金屬中****電子之間的相互作用事實上已經強到不容忽略，這就意味着它們並不像自由氣體分子那樣無相互作用，而更類似於液體。

但前面不是説自由氣體模型也有其正確性麼，這不是都忽略了粒子間相互作用麼，正確在哪兒呢？

固態、液態和氣態中，固態整體相對穩定，氣態由於不考慮粒子間相互作用，所以研究單一粒子也很方便。但液態就不一樣了，不僅整體不穩定，而且每個粒子都會受到其他粒子的影響。這也不是那也不是，到底該怎麼研究呢？

列夫·朗道沒有侷限在這種思維中，他跳了出來，不考慮電流中某一個粒子，而是將一團做集體運動的粒子視為一個“準粒子”，準粒子之間的相互作用可以忽略。

前蘇聯物理學家列夫·朗道（Lev Davidovich Landau），1962年獲諾貝爾物理學獎

如此，由準粒子構成的費米液體，與無相互作用的自由費米氣體基本一致。科學家們只需要將計算式中的電子質量替換為“有效質量”，就能運用自由氣體的那套計算方法。

大家可能會認為，所謂準粒子不過是一個人為引入的概念，又不是真正的粒子，至於有這麼大的作用麼？

至少就成果而言，在朗道引入準粒子前，科學家們不知道該怎麼研究複雜的費米液體。引入之後，人們成功預測了在低温條件下，金屬的電阻隨温度的平方而增長，同時費米液體理論也成為了超導BCS理論的基礎。而準粒子，如今已是凝聚態物理的重要概念。

我再給大家一個具體的例子，來説明準粒子的重要性，這個例子也與文章開頭提到的實驗有關。

聲子，是研究固體的晶格振動引入的準粒子。我們來看看這個聲子有什麼用。

以硅為例，在硅晶格中，每個硅原子與另外四個硅原子之間形成共價鍵。大家可以把共價鍵看作彈簧，一個硅原子振動，其能量就會通過這些彈簧傳遞給相鄰原子。那麼，我們要如何去量化這種能量呢？

原子的振動都是有頻率的，這表現了波的特性。事實上，它和聲波這類機械波在固體中的傳遞很相似。

但聲波與原子振動並非一個尺度，在原子尺度下，你得尊重量子力學。這也就是説，我們需要把振動的能量量子化。

怎麼辦呢？答案想必呼之欲出了，引入一種不存在的準粒子——聲子。

就像光子是光/電磁波的量子化，聲子可視作聲波的量子化。而聲子在很多方面的特性也很類似於光子。比如它們的能量都可用普朗克常數乘頻率得到，或者它們都表現出玻色子特性（不遵循泡利不相容原理，多個相同的玻色子可同處一個量子態）等等。

聲子就像最恰當的模型，有了它，科學家們才能更好地研究晶格振動。朗道在費米液體理論中引入準粒子也是同理。

只不過，30年後，費米液體理論在奇異金屬中失靈了，而準粒子，似乎也不再適用。

解剖電流

自從1986年奇異金屬出現，科學家們就提出了各種理論，試圖解釋那根奇怪的直線。

有人認為那是因為奇異金屬中的原子排列無序，且電子間發生了量子糾纏，這導致奇異金屬中的電子運動非常複雜，電子散射也與一般金屬中不一樣，從而導致電阻隨温度線性增長。

但這樣的解釋未免太模糊。事實上，大多數解釋奇異金屬的理論都是如此，基於大量的假設和猜想。而試圖用數學去精準描述的也有，比如物理學家薩赫傑夫就提出了SYK模型，這一模型得到了線性電阻結果，但並不現實，因為它完全沒有考慮空間這一因素。

後來有人想通了，對這樣一個極其複雜的課題，與其想一個完美的理論去定義它是什麼，不如先排除它不是什麼。

這就是文章開頭提到的那個實驗所做的事。

納特爾森目標是回答這個問題：奇異金屬中的電流，是以準粒子形式存在的嗎？

為了找出答案，他們採用了測量流動中的漲落的經典方法——“散粒噪聲”法。

什麼是散粒噪聲？比如天氣預報説，一個小時內會有5mm的雨水降下。我們把所有雨水看作一個巨大的雨滴。如果將它分成一個個大型雨滴，那麼這些雨滴落地的時間差會很大。而如果我們將它分成細小且均勻的雨滴，那麼這些雨滴落地的時間差就會很小。

前者的散粒噪聲大，後者的散粒噪聲小。

而我們可以反過來，通過散粒噪聲的大小來推測雨滴的大小。

測量電流時也是同理。納特爾森希望通過散粒噪聲瞭解奇異金屬中準粒子的“大小”。

但是要做到準確測量並不簡單。因為奇異金屬中的電子動量極低，對噪聲非常敏感（噪聲就包含了前文提到的聲子），他們的實驗的材料需要非常的精細。因為材料越精細，影響電流的未知因素就越少。

具體而言，他們需要將奇異金屬縮小到納米尺度。

這並不是一件容易的事情，實驗室並沒有芯片工廠那樣的精密儀器，大多數都得靠“手搓”。

但納特爾森的博士生，陳立陽花了將近一年的時間“搓”了出來。

他選擇研究一種由鐿、銠和硅製成的奇異金屬。這是因為，導師的老夥計維也納科技大學的西爾克（Silke）那已經做出了厚度幾十納米的薄膜。

而陳立陽要做的，就是將薄膜切割成納米尺度長寬的導線。

一開始，他的想法是通過對奇異金屬薄膜進行“原子噴砂”來一點點將其磨細。但嘗試後他發現，這樣磨出的導線不會表現出標誌性的線性電阻，根本做不了實驗。

在試了多種方法後，他找到了一種能保護奇異金屬的方法：先用鉻對金屬進行鍍層，使用氬氣流將其餘都沖刷掉，然後用鹽酸洗去鉻鍍層。

這樣，陳立陽製作了幾根幾乎完美的納米導線。每根導線大約長600納米，寬200納米。

有了合適的導線，實驗正式開始。

研究人員先將納米導線冷卻接近絕對零度，這是為了減小晶格振動，排除它對電流的影響，然後再使電流通過。另外他們還設置了對照組，經過同樣處理後，使電流通過了由金製成的納米導線。

結果，金導線中的電流散粒噪聲大，與一般金屬中由帶電準粒子構成的電流無異。但在奇異金屬中，電流的散粒噪聲極小。

這表明，奇異金屬電流中的準粒子顆粒極小，小到甚至可以説，消失了。

尾聲

納特爾森和陳立陽的實驗提供了清晰的證據，但同樣引起了很大的爭議，因為並非所有物理學家都相信這個實驗擊敗了朗道的準粒子。

他們指出，實驗存在一個侷限，只測試了一種材料，這並不能保證在其他奇異金屬中的電流散粒噪聲也會小。並且，即使陳立陽將材料做到了納米尺度，也無法排除所有未知因素。

在我聽來啊，他們説的雖然並不是沒道理，但聽感和不願意承認錯誤，不斷挑刺兒的小學生實在是一模一樣……

在這“倔強”的背後，大概還深藏着對未知的擔憂：如果不能用準粒子這樣好用的“工具”，那該用什麼呢？

很遺憾，現在的物理學家們中沒有一個能像朗道那樣平息爭論。他們大多用一系列隱喻來回答：

比如伊利諾大學的菲利普·菲利普斯（Philip Phillips）教授將奇異金屬中的電子比作輪胎中的橡膠。當橡膠從樹上取下時，其分子排列成單獨的串。但在硫化過程中，這些串會轉變成堅固的網狀結構。從個體的集合中產生出一種新物質。

亦或前文製備薄膜的西爾克，花了20年時間探索出一種理論，奇異金屬中的準粒子在“量子臨界點”時分解。在這個臨界點上，兩種不同的量子狀態爭奪上風。

這些理論，離解開奇異金屬之謎都有些遙遠了。

大家來看看這張圖吧：

這是簡化版的銅氧化物量子態相圖。橫座標為載流子濃度，縱座標為温度。目前人類能解釋的，只有SC（超導）和FL（費米液體）而已。懸在上方的大塊空白，正是奇異金屬。

超導研究的目標，就是去拓展SC這塊區域。要麼拓寬，使超導能在更寬廣的載流子濃度區間內發生；要麼拔高，使得超導能發生在更高的温度。

而這，無疑是需要對奇異金屬進行更多的研究才行。

費米液體區域，已經給予人類許多新物理。奇異金屬，這片尚未被人們探索的藍海，將來又能挖出什麼寶藏呢？