高温超導：推動量子多體理論革命的引擎_風聞
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撰文 | 向濤（中國科學院物理研究所）
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引 言
高温超導機理問題，或者更廣泛地説，高温超導問題，是凝聚態物理研究亟待解決的核心科學問題，也是21世紀人類要解決的科學難題之一。破解這一難題，不僅能揭示高温超導的微觀機制，還將極大提升我們對高温超導材料的預測、控制及優化能力，從而加速新的高温超導材料的發現，並推動超導技術在更廣泛領域的應用。
然而，高温超導研究的意義遠不止於此。一旦在這一領域取得突破性進展，其影響將不僅限於凝聚態物理，還將延伸至核物理、粒子物理、量子化學、量子計算等多個學科領域。事實上，高温超導的研究為系統構建非微擾量子場論提供了迄今為止最理想的實驗平台，是推動和建立統一描述包括高温超導在內的非微擾量子理論、指導發現新的量子多體物理規律、擴展人類知識邊界的重要驅動力。為了更深入理解這一點，我們不妨先回顧一下量子理論百年來的發展歷程。
量子理論這場顛覆人類認知的科學革命，自20世紀初萌芽以來，已深刻重構了現代文明的根基。它不僅揭示了微觀世界的運行密碼，更成為當代科技爆炸式發展的核心引擎。量子理論的發展大致可分為三個階段：第一階段從20世紀初至20世紀20年代末，是量子基本規律和量子力學的建立階段，奠定了量子理論的基石；第二階段大約是從1927年到20世紀70年代，是微擾量子場論的建立與發展階段，是量子力學的基本規律在多體量子系統的應用，其成果已成為當代量子科學與技術研究的重要手段；第三階段從20世紀50年代開始，是非微擾量子場論(即強關聯量子多體理論)的發展階段。建立非微擾量子理論比建立微擾量子理論難得多，因此這一問題至今未能解決，仍處於探索和發展之中。
在量子理論發展的每個階段，儘管有許多物理問題需要研究和解決，但其中某些問題的研究對推動量子理論的進步起到了尤為關鍵且不可替代的作用，成為揭示新規律、建立新理論的試驗場。這些問題具有兩個基本特點：一是它們揭示的物理現象不能在當時已有的物理理論框架中得到解釋；二是解決這些問題往往會導致新物理理論的產生。
例如，在量子力學的建立階段，有兩個關鍵物理問題的研究對量子力學的誕生起到了決定性作用：其一是黑體輻射，普朗克正是在解決這一問題時首次提出了量子的概念，開啓了量子理論的研究；其二是氫原子光譜，這一問題的研究為量子力學數學框架的建立提供了重要實驗依據。在第二階段，即微擾量子場論的發展階段，量子電動力學的研究佔據了核心地位，其重要性遠超其他問題。這個問題的研究不僅為微擾量子場論的建立，也為其完善提供了關鍵的理論基礎和實驗驗證平台，成為這一階段最具標誌性的科學成就。
在第三階段，對關鍵性問題的研究最初聚焦於原子核中發現的強相互作用問題。由於這種相互作用很強，無法通過微擾展開的方法處理，超越了微擾量子場論能處理的範圍。同時，由於對強相互作用問題的實驗研究需要超大規模的粒子加速器，使得這方面的研究進展一直較為緩慢。正當研究陷入困境時，20世紀80年代中期，高温超導體的發現為解決這個問題帶來了曙光[1]。高温超導是一個強關聯繫統，其相互作用也無法用微擾方法近似處理，但與強相互作用問題相比，高温超導的研究在實驗室中更容易實現，理論的正確性都能得到及時驗證，研究門檻低得多。
同時，高温超導的研究揭示了許多新穎的物理現象和效應，這些現象具有一定的普適性，為總結和發現強關聯量子多體系統的運動規律提供了一個相對完備的參照系。這些現象無法在現有量子理論框架下得到解釋，對量子場論提出了挑戰。因此，高温超導體不僅是一種具有廣泛應用潛力的材料，更是建立量子多體理論重要的實驗平台。
02
高温超導研究的科學和應用背景
超導是低温下出現的一種宏觀量子態，我們通常把超導的相變臨界温度接近或者超過40 K的超導體叫作高温超導體。根據現有實驗觀測，已發現的高温超導體按是否存在強磁性漲落特徵可分為兩類：一類是存在強反鐵磁漲落的高温超導體，包括銅氧化物[1]、鐵基[2]和鎳基超導體[3]；另一類則缺乏反鐵磁漲落特徵，典型代表有二硼化鎂[4]以及高壓氫化物超導體[5]。
超導體是一個理想的導體，沒有電阻，同時也是一個理想的抗磁體。如果對超導體施加一個磁場，磁場會被完全排斥在這個超導體之外，這是超導體有別於一般導體的一個特性。沒有電阻，輸電就沒有能耗和發熱效應，超導體因此能夠通過一個很大的臨界電流，產生一個用其他導體無法產生的強磁場。此外，超導體對磁的微小變化非常敏感，可用於高靈敏磁探測，也是其他材料所不具備的優勢。
超導技術的應用範圍極為廣泛，涵蓋了量子計算、超導磁懸浮列車、熱核聚變、大型加速器、大功率輸電到心腦磁圖診療等多個前沿方向，橫跨電子信息、交通運輸、能源電力、機械工程、生物醫學，以及大科學裝置等諸多領域。作為當代科技發展的重要支柱，超導技術已成為全球高科技競爭的焦點之一。
目前大多數超導應用，仍依賴於超導相變温度較低的常規金屬超導體。高温超導材料雖然能夠顯著降低維持低温的成本並提高系統穩定性，但由於製備工藝複雜和機械性能不足，應用成本較高，限制了應用範圍。要突破這一瓶頸，不僅需要提升高温超導材料的製備技術，更關鍵的是要深入理解高温超導的物理規律，發現更多性能優異且實用的高温超導材料。
超導現象的發生依賴於兩個關鍵過程：電子配對和量子相干凝聚[6]。電子配對是指兩個電子通過某種吸引相互作用形成類玻色子的束縛態，這種束縛態被稱為庫珀對。當這些庫珀對的量子位相發生相干時，會凝聚到一個宏觀的超導態中，從而表現出零電阻和抗磁性等超導特性。
在常規超導體中，電子配對的吸引相互作用主要來源於電子-聲子相互作用，電子通過擾動晶格，進而間接吸引另一個電子形成庫珀對。然而，在銅氧化物和鐵基高温超導體中，驅動電子配對的相互作用機制至今仍未完全闡明。磁性相互作用、強關聯效應，以及其他未知因素可能在其中扮演重要角色。揭示高温超導體中電子配對的起源，正是高温超導機理研究要解決的核心科學問題。
03
高温超導對量子多體理論的挑戰
在過去的近四十年中，高温超導研究揭示了一系列令人矚目的新奇物理現象，這些現象在現有的量子理論框架中難以得到合理解釋，不僅阻礙了高温超導機理的解決，也為量子多體理論的發展帶來了嚴峻挑戰。以下是高温超導研究中幾個最引人注目的未解之謎。
1) 線性電阻問題 在常規金屬導體中，低温電阻通常隨温度的平方或五次方變化。然而，在最佳摻雜的高温超導材料中，低温電阻卻表現出隨温度線性變化的行為[7]。這一現象的物理根源和機制至今仍未闡明。
2) 電阻的Mott-Ioffe-Regel極限問題 導體中電子散射會導致電阻的產生，其強度可以用電子的平均自由程來描述。根據傳統的電子輸運理論，電子的平均自由程不可能小於原子間距，因此原子的半徑設定了電阻的一個上限，這個上限就是Mott-Ioffe-Regel極限[8]。然而，在高温超導材料中，實驗發現電阻可以完全超越這一極限[7, 8]，這一現象挑戰了傳統電子輸運理論的基本假設。
3) 贗能隙問題 當導體轉變為超導體時，其比熱在超導相變臨界温度附近會出現一個尖峯，隨後隨温度降低迅速衰減，這是電子形成束縛態並打開能隙的結果。贗能隙[9-11]是在正常相 (非超導相) 中電子在部分費米麪上出現能隙現象，由此也會導致比熱在超導相變温度之上就會隨温度降低而下降。贗能隙的存在導致低能熵 (能量低於25 meV) 的缺失[12, 13]，而紅外光譜實驗發現這些缺失的低能熵轉移到了1 eV左右的高能量態上。這種極高能態對低能態的顯著影響在以往的物理研究中幾乎從未出現過，暗示着微擾量子場論的一些基本原則 (如可重正性) 需要重新審視。
4)費米弧問題 在常規導體中，費米麪是布里淵區中的一個封閉曲面。然而，在贗能隙出現時，高温超導體的費米麪不再封閉，而是呈現為弧狀結構[14]。這種不封閉的費米弧是贗能隙的直接後果。令人困惑的是，在這種系統中，實驗發現強磁場下依然會出現只有封閉費米麪系統才可能觀測到的量子振盪現象[15]。這一矛盾現象為理解高温超導體的電子結構帶來了新的挑戰。
5)線性電阻與超導相變温度的關聯問題 實驗發現，在過摻雜的高温超導體中，低温線性電阻係數的平方根與超導相變温度之間存在線性相關性[16]，表明導致銅氧化物高温超導和線性電阻的相互作用具有相同的起源，但產生這種關聯性的原因尚不清楚。
事實上，高温超導體中發現的令人費解的問題遠不止上述這些，但這些現象與現有理論的衝突最為突出。這些現象，尤其是其間的相互聯繫不僅是對現有理論的挑戰，也為新的量子理論的誕生提供了契機。解決這些問題，不僅將推動高温超導機理的突破，還可能催生全新的量子多體理論和研究方法，為凝聚態物理和其他領域帶來深遠影響。
04
高温超導對量子多體研究的推動作用
高温超導的機理問題儘管還沒能解決，但高温超導的研究對量子多體理論起到的推動作用是巨大的，主要體現在以下三個方面。
其一，深化了我們對強關聯量子效應的理解。通過大量的實驗和理論分析，科學家們證實了高温超導電子配對具有d波對稱性[17]，並發現了一系列新穎的量子現象和效應。這些發現不僅幫助我們建立了對這些量子現象的定量化描述，還加深了對強關聯物理現象的全面理解，為後續研究奠定了堅實基礎。此外，高温超導的研究還推動了重費米子、巨磁阻、量子自旋液體等凝聚態物理前沿領域的發展，成為推動量子多體問題研究的源動力。
其二，促進了實驗技術的創新。作為實驗技術創新的強大催化劑，高温超導研究加速了角分辨光電子譜 (ARPES)、掃描隧道顯微鏡 (STM)、中子散射、共振非彈性X射線散射 (RIXS) 等實驗技術的發展。這些技術不僅在高温超導研究中發揮了關鍵作用，還在凝聚態物理和材料科學的其他領域得到了廣泛應用，推動了物理學及其交叉學科的全面發展。
其三，推動了量子多體理論和方法的發展。儘管目前尚未建立起一個完整的量子多體理論框架，但高温超導研究極大地加深了我們對多體量子世界，特別是量子臨界行為和量子糾纏特性的理解。此外，它還促進了量子蒙特卡羅、密度矩陣及張量網絡重正化羣等量子多體計算方法的發展。這些受高温超導啓發而建立的理論和方法，對整個量子多體問題的研究也產生了深遠的影響。
儘管有以上這些進展，但要真正解決高温超導問題並推動量子多體理論的發展，還需建立描述高温超導及其他量子多體系統的基本理論框架。這個框架的建立，不能只是發現更多的實驗現象，收集更多的實驗數據，而是要通過對實驗數據和現象的深入分析，揭示數據之間存在的內在聯繫。唯有如此，才能為實驗研究提供更清晰的理論指導，幫助發現新的物理效應，並從根本上破解高温超導機理難題。
05
普適性規律的發現是量子多體理論突破的關鍵
高温超導研究揭示了大量先前未知的量子現象，拓展了我們對多體量子系統複雜性和多樣性的認知，但同時也凸顯出現有研究的侷限性。當前的研究過於注重對錶觀現象的解釋，缺乏對內在規律的深入探索。理論研究往往停留在“頭痛醫頭，腳痛醫腳”的現象分析層面，未能系統性地揭示各種現象之間的本質聯繫和深層規律。這種研究現狀制約了我們對高温超導機制的整體理解，也阻礙了相關領域的突破性發展。
縱觀物理學發展史，新理論體系的構建往往遵循着從經驗規律到數學公式化描述的認知路徑。首先，研究者通過觀察和實驗，提煉出具有普適性的經驗規律，繼而在此基礎上建立定量化的物理定律，並最終將其轉化為精確的數學表述。這一研究範式在經典力學、量子力學等重大理論突破中得到了充分驗證。對於非微擾量子理論體系的構建而言，發現普適性規律同樣是不可或缺的探索步驟。特別是在高温超導領域，對電子配對機制等核心問題的規律性認識，將成為未來取得突破的關鍵所在。
在高温超導研究中，決定超導相變温度的最關鍵因素是什麼? 是否存在某種規律可循? 這是過去四十年來高温超導研究亟需歸納和總結的核心問題。
不難理解，超導相變温度主要取決於超導電子配對的相互作用強度：相互作用越強，超導相變温度越高。這看似簡單的道理，但要發現其背後的物理機制卻非易事。在已知的高温超導體中，反鐵磁漲落在銅氧化物和鐵基超導體中扮演了重要角色，而電子-聲子相互作用
那麼，高温超導的電子配對相互作用是否存在共性規律? 現有研究給出了肯定的回答。通過對各種高温超導體定域電子結構的深入分析，發現它們普遍存在強化學鍵 (特別是σ 共價鍵) 電子的金屬化趨勢[18]。這一共性特徵已在銅氧化物[18]、二硼化鎂[19]和富氫高温超導體[20]中通過理論計算和實驗分析得到驗證。鐵基超導體儘管其鐵離子的多軌道特性增加了複雜性，但σ 鍵電子的金屬化仍是一個合理的推論。σ 鍵電子被金屬化後，晶體的鍵合結構必然變得不那麼穩定，因此機械性能會變差，同時，材料會易於進行化學摻雜。這與鐵基超導體及銅氧化物超導體的特性相符，進一步支持了對這一規律的普適性判斷。
σ 鍵電子的金屬化之所以有利於高温超導的出現，根本原因在於σ 共價鍵本質上是分子中一對電子的強束縛態。在晶體中，σ 鍵電子通過雜化形成能帶，是穩定晶體結構的主要相互作用。σ 鍵電子的金屬化意味着這一強鍵合的斷裂，使σ 電子能夠自由移動並參與導電。當然，這一過程同時也會破壞晶體結構的穩定性，使得金屬化σ 鍵電子極具挑戰性。這也是高温超導體難以發現的一個基本原因。
在保持晶體結構完整性的前提下，σ 鍵的金屬化可以為高温超導電子配對的形成提供關鍵條件。這一機制在MgB2中得到了充分體現：通過σ 鍵的金屬化，原本具有類石墨結構的材料轉變為了高温超導體。儘管σ 鍵電子在金屬化後其束縛相互作用會有所減弱，但其強度仍可能顯著高於其他類型的相互作用，從而成為主導高温超導電子配對的關鍵因素。這一現象表明，σ 鍵或其他強化學鍵電子的金屬化是實現高温超導的普適途徑。這個規律的認識深化了我們對高温超導機制的理解，也為探索新型高温超導材料提供了理論依據。然而，如何定量化描述這一規律，並建立其與超導轉變温度之間的精確關聯，仍然是當前研究面臨的一個重大挑戰。
06
總 結
高温超導是關聯量子新現象、新概念、新方法和新技術發展的源泉。在銅氧化物和鐵基超導體中發現的物理現象和物理效應，不能在現有的多體量子理論的框架中得到滿意的解釋，是量子多體理論面臨的嚴峻挑戰，同時也為其提供了理想的研究平台。高温超導的研究不僅能推動強關聯量子理論的發展，也為探索新的量子態和量子效應提供了獨特的機會。
要解決高温超導的機理問題，首先需要發現並建立對高温超導現象的規律性描述。這一過程不僅依賴於對實驗數據的深入分析，還需要發展和建立系統可靠的研究量子多體問題的理論方法。與此同時，實驗技術的概念創新也至關重要。我們需要發展能夠直接探測微觀相互作用的實驗技術和方法，特別是那些具有能量和動量分辨能力的探測手段[13]。通過這些技術，我們可以精確地確定究竟是哪種相互作用導致了電子的配對，從而從根本上解決高温超導配對機理這一世紀性難題。
總之，高温超導研究不僅揭示了量子多體物理的深層次問題，也為量子理論和實驗技術的突破提供了契機。通過理論與實驗的緊密結合，我們有望最終揭開高温超導的奧秘，為量子多體理論的發展開闢新的道路。
參考文獻
[1] Bednorz J G, Müller K A 1986 Z. Phys. B64189
[2] Kamihara Y, Watanabe T, Hirano M, Hosono H 2008 J. Am. Chem. Soc. 130 3296
[3] Li D, Lee K, Wang B Y, Osada M, Crossley S, Lee H R, Cui Y, Hikita Y, Hwang H Y 2019 Nature 572 624
[4] Nagamatsu J, Nakagawa N, Muranaka T, Zenitani Y, Akimitsu J 2001 NATURE 410 63
[5] Drozdov A P, Eremets M I, Troyan I A, Ksenofontov V, Shylin S I 2015 Nature 525 73
[6] Bardeen J, Cooper L N, Schrieffer J R 1957 Phys. Rev. 108 1175
[7] Gurvitch M, Fiory A T 1987 Phys. Rev. Lett. 59 1337
[8] Hussey N E, Takenaka K, Takagi H 2004 Philos. Mag. 84 2847
[9] Warren W W, Walstedt R E, Brennert G F, Cava R J, Tycko R, Bell R F, Dabbagh G 1989 Phys. Rev. Lett. 62 1193
[10] Alloul H, Ohno T, Mendels P 1989 Phys. Rev. Lett. 63 1700
[11] Loram J W, Mirza K A, Cooper J R, Liang W Y 1993 Phys. Rev. Lett. 71 1740
[12] Loram J W, Mirza K A, Cooper J R, Tallon J L 1997 Physica C: Superconductivity 282-287 1405
[13] Xiang T, Xue J 2017 Physics 46 514 (in Chinese) [向濤, 薛健 2017 物理 46 514]
[14] Norman M R, Ding H, Randeria M, Campuzano J C, Yokoya T, Takeuchi T, Takahashi T, Mochiku T, Kadowaki K, Guptasarma P, Hinks D G 1998 Nature 392 157
[15] Doiron-Leyraud N, Proust C, LeBoeuf D, Levallois J, Bonnemaison J B, Liang R, Bonn D A, Hardy W N, Taillefer L 2007 Nature 447 565
[16] Yuan J, Chen Q, Jiang K, Feng Z, Lin Z, Yu H, He G, Zhang J, Jiang X, Zhang X, Shi Y, Zhang Y, Qin M, Cheng Z G, Tamura N, Yang Y F, Xiang T, Hu J, Takeuchi I, Jin K, Zhao Z 2022 Nature 602 431
[17] Xiang T, Wu C J 2022 D-wave Superconductivity (Cambridge: Cambridge University Press)
[18] Gao M, Lu Z Y, Xiang T 2015 Physics 44 421 (in Chinese) [高淼, 盧仲毅, 向濤 2015 物理 44 421]
[19] An J M, Pickett W E 2001 Phys. Rev. Lett. 86 4366
[20] Zhang J F, Zhan B, Gao M, Liu K, Ren X G, Lu Z Y, Xiang T 2023 Phys. Rev. B 108 094519
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