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室温超导体指日可待?

2020-07-03


超导体(superconductors)的物理大概是最常在科普文中被提及的概念之一,追溯原因,倒也未必是因为这些物理容易理解,笔者猜想更有关联的应该是:(1) 超导性是相对轻易可以被实现的巨观量子现象,甚至不需要无尘室、防尘衣等负担也能在公众面前展示。(2) 超导性的视觉效果,如磁浮现象,足够不寻常而可以令人歎为观止。(3) 最后,它们对于生活的改善也有举足轻重的影响,譬如磁浮列车。

室温超导体指日可待?

图一:本文的主角:金属态氢,一般来说只存在于极高压的环境,如木星的地层中。(Photo credit: wiki)

也因此,超导之名如雷贯耳,即便我们不一定知道怎幺去做量子场论的计算,我们大概也以为自己或多或少了解古柏对( Cooper pairs )、以及奠基于此建立的 BCS (Bardeen-Cooper-Schrieffer)理论。同时我们也约略有概念,一般金属像水银(Hg)、铝(Al)必须在极低的温度(约零下 270 度)下才能呈现超导现象,持续地控制低温也是一般认知中超导技术在应用上所需要面对的最大难题。

为了追求更高的超导温度,二十世纪后期物理学家们跳出传统的 BCS 超导体,意图从非常规超导体(unconventional superconductors)去寻找更高的超导温度的突破口。儘管在实验上,一些複杂的化合物常有新的实验发现,在理论上物理学家们尚未总结出一个公认的非常规超导体的标準说法。

高温超导体都已经是一片混沌,遑论是接近室温的超导体。说实话,在网路上每三五天就会出现一篇宣称实现超高温或室温超导体的文章,大部分都不值一哂。

然而在本文中,笔者想跟大家提提最近在前两个月(18 年 8 月)由不同实验组分别提出 [1, 2],氢化镧(LaH10+x)这类化合物在超高压下(将近 MPa)被观测到的接近室温的(摄氏零下六十度到零下十三度)超导现象。(笔者所在的芝加哥,零下十三度的确是室温了)

有趣的是,这类材料,由氢为主体的「金属」,的超温超导现象是可由传统的 BCS 理论理解的。要解释这个故事,让我们稍稍複习,在 BCS 理论中,原金属中的电子们产生吸引力的机制。

在物理学家眼中的金属由带正电的离子与能自由移动的电子构成,在平衡的状态下,正电离子们按规律排列在晶格中,这个晶格基本上就是很多粒子按照某种规律排列,在粒子与粒子间有位能(可以想像成弹簧)维持它们平衡的位置。如果有外力将离子拖离原地再释放,倘若偏离的距离不大,离子会相对于原来的平衡位置振动,这些振动说白了就是「声音」,再将它们量子化后便可以得到「声子」(phonon)。

室温超导体指日可待?

图二 (photo credit: 作者自绘)

我们可以利用图二想像以下的情境,当一个电子(红色箭头)穿过正离子形成的晶格,因为离子所带正电与电子的负电作用,一部分的晶格被扭曲(灰色圆点),而当电子离去后,晶格因为被激发而开始振荡,这个振荡从而影响了另一个电子(蓝色线),而使得两个电子靠近。这两个电子除了原本两者间库伦作用的斥力,也透过晶格的振荡(交换声子)而有了额外的、间接的交互作用。这便是在传统超导中,电子间产生吸引力而得以形成古柏对(Cooper pair)的机制。

也因此,我们可以想见,超导现象的能量尺度,即超导现象产生的临界温度(critial temperature)与晶格中正离子振荡的能量尺度有关係。后者在文献中通常以德拜频率(Debye frequency)表示,要了解所谓的德拜频率,读者可以想像整块大金属里面有据以千万计的正离子,相邻的正离子间有弹簧连结,当整个晶格开始振动的时候,由于自由度很大,系统也可以拥有很多的本徵频率(eigenfrequency)亦即在某些频率时所有的离子会以同样的频率振动。德拜频率就是一个界定每一种金属本徵频率上界(upper bound)的量。儘管读者们可能不知道德拜频率的意思,但从单位分析的观点,应该可以接受这个能量尺度跟上面所讲的离子振动的频率有关係。

顺着这个思路走下来,让我们(再一次)回忆在高中物理中的简谐运动—当我们将一个粒子绑在一个弹簧上,并让粒子开始振动,振动的频率平方基本上是弹簧常数除以粒子的质量。即便没有严肃的计算,透过这个直觉的图像,我们也能约略掌握为什幺在高压的氢金属中,有可能形成高温的超导态—因为氢超级轻,而靠很近时弹簧常数又很大,结果导致了很大的德拜频率。

如果读者真的尝试进行 BCS 模型的计算,会发现超导性发生的临界温度基本正比于德拜频率,巨大的德拜频率与适中的电子声子交互作用,使得氢原子形成的金属得以在学理上变成高温超导的优良候选。在前几年已经有物理学家针对 H2S, H3S 这类的化合物分析。 2018 年 8 月,[1], [2] 分别提出了电阻对于温度的测量数据,验证在高于摄氏负 70 度的超导性质。然而,这些实验必须维持在极高压的环境(500 GPa ~ MPa,1 GPa 约略是 10,000 大气压,地心压力约略是 400 GPa),也因此距离日常用途还有点距离。

然而,笔者对这类实验的发展还是乐观其成—看来以后除了室温超导体外,「室压」超导体也将成为一个众人追逐的目标了。


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