劉俊明

你丫超導(dǎo)，我壓超導(dǎo)

劉俊明

有人說(shuō)，超導(dǎo)是凝聚態(tài)的牛耳，做超導(dǎo)的人就是凝聚態(tài)的執(zhí)牛耳者。如果我們知道交談的對(duì)家是做高溫超導(dǎo)的，很多時(shí)候都會(huì)景仰之心油然而生，情不自禁，即便他可能其貌不揚(yáng)。大凡如此，皆是因?yàn)楦邷爻瑢?dǎo)物理鏈接了凝聚態(tài)物理的若干主軸，從而在推動(dòng)凝聚態(tài)物理的發(fā)展深化進(jìn)程中居功至偉。因此，一篇成果如果是關(guān)于高溫超導(dǎo)的，就立馬有了調(diào)戲高大上的及格線。

不過(guò)，當(dāng)今的超導(dǎo)物理遠(yuǎn)不止于此，又有了新的故事。眾所周知，強(qiáng)自旋-軌道耦合SOC可能引致量子霍爾效應(yīng)和量子自旋霍爾效應(yīng)。而一些強(qiáng)SOC絕緣體因?yàn)樽杂杀砻鎸?dǎo)致的對(duì)稱性破缺誘發(fā)了特殊的表面態(tài)，其中之一便是拓?fù)浣^緣體態(tài)，其體態(tài)具有一定能隙但表面態(tài)無(wú)能隙且色散關(guān)系呈現(xiàn)線性，預(yù)示了所謂的具有時(shí)間反演對(duì)稱保護(hù)的高遷移率“金屬態(tài)”。由于超導(dǎo)態(tài)對(duì)應(yīng)于電子配對(duì)的“能隙”，因此很容易引起那些凝聚態(tài)高手們合縱連橫，這就有了拓?fù)涑瑢?dǎo)態(tài)。拓?fù)涑瑢?dǎo)的一個(gè)吸引人之處在于拓?fù)浔砻鎽B(tài)和超導(dǎo)兩種量子特性并存，給那些搗鼓應(yīng)用前景的好夢(mèng)者以恣意激情的動(dòng)力（如圖1）。而更吸引人之處在于場(chǎng)論的一個(gè)預(yù)言：Majorana費(fèi)米子。

FIG.1 拓?fù)浣^緣體特性與潛在應(yīng)用的示意圖 (from Nano Lett.,2014,14:3779)。電子結(jié)構(gòu)特征和表面態(tài)輸運(yùn)特性一覽無(wú)遺。

Majorana費(fèi)米子的登場(chǎng)牽涉到物理學(xué)的終極學(xué)問(wèn)。物理學(xué)認(rèn)定物質(zhì)與反物質(zhì)的C對(duì)稱性。宇宙中，一種粒子一定存在另一種特定物性相反的粒子，以電子和正電子的發(fā)現(xiàn)而引人入勝。宇宙大爆炸之所以形成如今的星際形態(tài)，皆因物質(zhì)反物質(zhì)發(fā)生對(duì)稱性破缺（這可是場(chǎng)論者為數(shù)很少的從凝聚態(tài)物理學(xué)去的概念）使得正物質(zhì)比反物質(zhì)多個(gè)千百萬(wàn)分之一所致。Majorana費(fèi)米子是一種虛擬的物質(zhì)和反物質(zhì)特性等價(jià)的準(zhǔn)粒子，好像是一種既是男性也女性或者男性等于女性的意思，其奇妙之處非我等可以體會(huì)。最近賈金鋒他們就似乎看到了拓?fù)涑瑢?dǎo)中這種費(fèi)米子的證據(jù)。這可是一個(gè)很偉岸的成果，從而更加強(qiáng)烈地撬動(dòng)了高溫超導(dǎo)高手們追求新型拓?fù)涑瑢?dǎo)態(tài)的“癡心妄想”。復(fù)旦大學(xué)的李世燕即為其中之一員。

FIG.2 （上）Majorna費(fèi)米子的簡(jiǎn)單圖示。(http://www. 51wendang.com/)（下）賈金鋒面對(duì)一堆Majorana費(fèi)米子侃侃而談?？吹贸隼腺Z還是有點(diǎn)緊張，畢竟他也比較少面對(duì)這些Majorana費(fèi)米子。

FIG.3 （左）李世燕給出的狄拉克半金屬Cd3As2相圖，顯示出雖天下大亂但大抵三分已定，超導(dǎo)占了東南富饒之地。（右）復(fù)旦世燕、北大王健，獲頒2015馬丁-伍德爵士中國(guó)物理科學(xué)獎(jiǎng)。

拓?fù)浣^緣體的故事在表面態(tài)，而最近熱浪滾滾的新拓?fù)淞孔芋w態(tài)應(yīng)該算3D狄拉克半金屬態(tài)和外爾半金屬態(tài)，它們的電子結(jié)構(gòu)與拓?fù)浣^緣體的表面態(tài)類似。李世燕們想：你丫銅氧化物超導(dǎo)、鐵砷化合物超導(dǎo)、如今拓?fù)浣^緣體加點(diǎn)摻雜加點(diǎn)應(yīng)變也超導(dǎo)，那么我3D狄拉克半金屬或者外爾半金屬能不能也超導(dǎo)？這個(gè)動(dòng)機(jī)很單純，沒(méi)有什么壞心眼隱藏其中。已經(jīng)有不少理論預(yù)言說(shuō)這樣可以的，加點(diǎn)載流子摻雜就可能誘導(dǎo)3D狄拉克半金屬出現(xiàn)電子配對(duì)能隙，呈現(xiàn)超導(dǎo)態(tài)。遺憾的是這個(gè)預(yù)言到現(xiàn)在也沒(méi)有實(shí)現(xiàn)。李世燕們可能是覺(jué)得做摻雜誘導(dǎo)超導(dǎo)比較“麻煩”，就猜測(cè)對(duì)某種3D狄拉克半金屬施加壓力，是不是也可以實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)轉(zhuǎn)變？他們就想當(dāng)然地選擇了已經(jīng)被證明是狄拉克半金屬的Cd3As2這個(gè)體系試了試。好像挺容易的樣子，他們就壓出了超導(dǎo)，附帶一些伴隨的結(jié)構(gòu)相變信息。當(dāng)然，這其中艱辛和挑戰(zhàn)我們外人無(wú)從知曉，但李世燕的合作者靳常青們最能體會(huì)。其實(shí)，也不盡然，吃苦的應(yīng)該是李世燕們，因?yàn)榻Ｇ鄠兘?jīng)常用他那個(gè)大家伙壓出各種新奇的東西（比如立方的BaRuO3和那個(gè)出了名的新鐵基超導(dǎo)體系）。

看君如果有興趣，就移步李世燕在2016年9月23日在線發(fā)表的大作“Pressure-induced superconductivity in the three-dimensionaltopological Dirac semimetal Cd3As2” http://www.nature.com/ articles/npjquantmats201614

1000-0542(2017)02-0075-2

10.13725/j.cnki.pip.2017.02.002