來源：原理
1911年，物理學(xué)家海克·卡末林·昂內(nèi)絲（Heike Kamerlingh Onnes）最早注意到了超導(dǎo)現(xiàn)象。它起初被認為僅僅代表了一種科學(xué)的好奇，但隨后，這種非同尋常的現(xiàn)象為物理學(xué)家?guī)砹藷o數(shù)的理論挑戰(zhàn)和實驗驚喜。
從20世紀中葉年著名的巴丁-庫珀-施里弗（BCS）理論的發(fā)展，到1987年高溫超導(dǎo)銅氧化物陶瓷的發(fā)現(xiàn)，超導(dǎo)性越來越多地受到了科學(xué)界的關(guān)注。
但在實際應(yīng)用中，超導(dǎo)體的一個問題是，它們幾乎都只能在超低溫條件下工作。如今，高溫超導(dǎo)已經(jīng)成了凝聚態(tài)物理學(xué)中懸而未決的最大問題之一。
近期，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了對稱性和高溫超導(dǎo)體背后的物理學(xué)之間的一個關(guān)鍵聯(lián)系。這些理論發(fā)現(xiàn)代表著向理解高溫超導(dǎo)性邁出了一大步。論文已于近日發(fā)表在《自然·物理》上。
莫特絕緣體
在被冷卻到超低溫時，電流可以在電阻為零的情況下通過超導(dǎo)體，事實上，不少純金屬都可以表現(xiàn)出這種特性。但從微觀層面上分析這些材料導(dǎo)電性的轉(zhuǎn)變卻非易事。
直到1956年，物理學(xué)家思考了一種非相互作用的電子系統(tǒng)，從而發(fā)展出了BCS超導(dǎo)理論。簡單來說，超導(dǎo)現(xiàn)象發(fā)生在當(dāng)兩個電子在低溫下結(jié)合時。通常兩個電子會相互排斥，但是當(dāng)溫度下降到某一點時，電子會開始變得容易配對，形成所謂的庫珀對，這是構(gòu)成超導(dǎo)體的基本單元。也就是說，兩個電子之間似乎產(chǎn)生了一種能將它們粘在一起的”膠水“。
在超導(dǎo)發(fā)展的歷程中，另一次轉(zhuǎn)變發(fā)生在1987年。當(dāng)時，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種新型超導(dǎo)材料銅氧化物陶瓷。陶瓷在通常概念中是絕緣的，電流幾乎無法通過，但這些銅氧化物陶瓷卻是一類高溫超導(dǎo)體，保持著環(huán)境壓力下最高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的紀錄。
這類材料也被稱為莫特絕緣體，它們的特殊性在于，材料中的電子會發(fā)生強烈的相互作用，而不像普通金屬中的電子像費米液體理論描述的那樣獨立運動。
先前有關(guān)莫特絕緣體及相關(guān)物理學(xué)的研究大多專注于借助極為復(fù)雜的模型來處理強相互作用，比如哈伯德模型。但問題是，哈伯德模型的精確結(jié)果很難求解，有時甚至不可能解出，因為這種模型只有在一維情況下是可以精確求解的。這些相互作用也讓超導(dǎo)問題變得相當(dāng)棘手。
破缺的對稱性
但在新研究中，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種更簡單的普適描述，或者可以理解成一種變通的辦法，它可以巧妙地解釋莫特物理學(xué)。團隊找到了一種簡化的對稱性，讓科學(xué)家能以一種新的方式思考相互作用，闡釋高溫超導(dǎo)的更多細節(jié)。
這種方法的線索來自諾貝爾獎得主菲利普·安德森（Philip Anderson）和鄧肯·霍爾丹（Duncan Haldane）。簡單來說，2001年，安德森和霍爾丹發(fā)現(xiàn)，費米液體理論包含了一種隱藏的對稱性，這種對稱性與僅僅是單一自旋種類的粒子和空穴之間的相互轉(zhuǎn)換有關(guān)。
莫特絕緣體通常被認為沒有打破任何對稱性，而且正因如此，它們很難被描述。但新研究發(fā)現(xiàn)的是，它們的確打破了一種對稱性，也正是安德森和霍爾丹所指的那種隱藏的對稱性。
當(dāng)研究人員認識到打破費米液體的隱藏對稱性會導(dǎo)致莫特絕緣性后，他們順理成章地開始尋找現(xiàn)有的可分析的模型。他們追問了一個看似非常簡單的問題：打破這種對稱性的最簡單的模型是什么？結(jié)果卻帶來了一個驚喜。它是在1992年提出的一個模型，被稱為初貝-甲元（Hatsugai-Kohmoto，HK）模型。
在他們最新的論文中，團隊證明HK模型是打破這種粒子-空穴對稱性的最簡單的模型。研究人員追蹤了那些在莫特金屬到絕緣體轉(zhuǎn)變中“幸存”的對稱性。他們發(fā)現(xiàn)，HK模型恰恰打破了那種隱藏的對稱性，它引入了莫特絕緣體所需的正確的、且唯一相關(guān)的相互作用，得到了莫特絕緣體。
作者還證明了，哈伯德模型其實同樣打破了粒子-空穴對稱性。但兩者的不同是，HK模型的魅力在于它的簡單性。換句話說，HK模型包含了哈伯德模型及其影響，這說明HK模型具有更強大的通用性。
更重要的是，研究發(fā)現(xiàn)，這種破缺的對稱性正是實現(xiàn)超導(dǎo)性的關(guān)鍵。可以這樣簡單理解，在BCS理論中，“破壞”費米液體并實現(xiàn)超導(dǎo)狀態(tài)的關(guān)鍵一步是允許庫珀對的出現(xiàn)，而在這個新理論中，這一關(guān)鍵步驟則變成了對稱性的破缺。這是解決高溫超導(dǎo)問題的一個重要部分。
突破性的新發(fā)現(xiàn)
科學(xué)家相信，這是一項突破性的發(fā)現(xiàn)，因為它減輕了理論學(xué)家對復(fù)雜模型（比如哈伯德模型）的過度依賴。此外，HK模型是普適性的一個突出例子，它能廣泛地解釋高溫超導(dǎo)性。用更專業(yè)的術(shù)語來說，這意味著，哈伯德模型和HK模型都位于同一個普適性類中，這正是統(tǒng)計力學(xué)和重正化群論的一個主要目標(biāo)。
它同樣直面了凝聚態(tài)物理學(xué)界沒能解決強相關(guān)系統(tǒng)中的粒子-空穴對稱性破缺的問題。他們相信，證明HK模型打破了這種對稱性，從而引出了高溫超導(dǎo)的基礎(chǔ)，可以極大地幫助理解高溫超導(dǎo)，最終帶來解決高溫超導(dǎo)問題的新方案。
#創(chuàng)作團隊：
撰文：Gaviota
排版：雯雯
#參考來源：
https：//physics.illinois.edu/news/46009
https：//theconversation.com/physicists-hunt-for-room-temperature-superconductors-that-could-revolutionize-the-worlds-energy-system-80707
#圖片來源：
封面圖：PIRO4D/Pixabay
首圖：Argonne National Laboratory / Flickr