編譯 姚人杰

科研人員說，他們接近用超冷原子晶格模擬高溫超導體，這是解釋超導體的完美導電狀態(tài)的一步。

排列于規(guī)則晶格中的超冷原子可以為弄清高溫超導現(xiàn)象的起源提供線索。晶格格位的排列（白色能量面中的低谷）在實驗中通過激光來制造

自從1986年發(fā)現(xiàn)銅酸鹽超導體，物理學家對此迷惑不已。這些含銅的材料能以零電阻導電的溫度高達135K，遠在理論預測的30K到40 K之上。在最近33年里，科研人員試圖解釋這種神秘的行為，但仍然缺乏一套完整的描述。然而，物理學家將超冷原子排列于激光生成的規(guī)則晶格中，以此做研究，并認為他們的實驗可能在不久提供所需的線索。這些實驗也許近似于生成高溫超導體的模型，由原子在其中扮演電子的角色。這樣的一套系統(tǒng)會使科研人員以空前的方式控制那些生成超導現(xiàn)象的因素，會提供一套能得出高溫超導謎團答案的工具。

高溫超導作為催生更低廉高速火車、改善電廠發(fā)電能力的技術早已廣為人知。雖然高溫超導體已經(jīng)出現(xiàn)在一些測量磁場和偵測雷達信號的儀器上，但上述想法還有待落實。用基本術語來解釋高溫超導現(xiàn)象應該會幫助科學家優(yōu)化這些材料，但高溫超導現(xiàn)象可以說是凝聚態(tài)物理學中最大的未解難題之一。高溫超導現(xiàn)象的完整理論會對固體中電子的行為提供全新的洞察。

解釋銅酸鹽材料的高溫超導現(xiàn)象的困難來自材料的復雜性，這導致科學家難以通過實驗、計算機模擬或純理論來研究銅酸鹽。根據(jù)一些研究者的說法，簡化且更易控制的模型系統(tǒng)能幫上忙。擁有奇數(shù)中子的原子是費米子，因而與電子（電子也是費米子）一樣遵守相同的統(tǒng)計規(guī)律。結果顯示，這樣的費米原子在冷卻并用激光放置于類似晶體的布局中，就能模擬復雜固體材料中電子的行為。譬如說，這樣的晶格中的原子能像在晶體內(nèi)移動的電子一樣從一個點躍遷至下一個點。

超導現(xiàn)象只是材料內(nèi)的電子所處的一種量子態(tài)或“相”（phase）的范例。實驗人員在近期已經(jīng)用費米原子晶格（費米子晶格）再現(xiàn)了一些其他相。在銅酸鹽電子態(tài)的相圖中，觀察到的費米子晶格相位與超導現(xiàn)象的相位相似，導致一些專家預計即將能觀察到高溫超導狀態(tài)。由于觀察、冷卻和理論描述費米子晶格的工具的快速發(fā)展，上述進展在最近幾年得以實現(xiàn)。冷原子晶格領域的先驅、哈佛大學的馬庫斯·格雷納（Markus Greiner）說道：“我們有希望生成這樣的相，讓凝聚態(tài)物理學家激動；但現(xiàn)在，我們第一次真正在實驗中實現(xiàn)這些相。”

用量子氣體顯微鏡使費米原子成像。這臺設備允許對晶格內(nèi)的單個原子進行排列和成像，以及探測原子的自旋

量子氣體顯微鏡

在研究冷費米子晶格上，最初的一塊絆腳石是科學家無法讓原子單獨成像，而這是在單個原子層面上研究原子如何排列和相互作用的關鍵要求。量子氣體顯微鏡（QGM）在2009年的問世改變了局面，盡管一直到2015年，研究人員才首次采用這種技術讓費米子成像。（在那之前，他們僅捕捉到玻色子的畫面，那是另一類量子粒子。）

在QGM實驗中，首先由一個磁光阱將一團原子限制于一個狹小空間，再用標準技術將空間內(nèi)的氣體降溫到納開爾文（10億分之一度）的溫度。光學晶格投射到原子團上，接著按照周期性樣式將原子俘獲和排列。為了探查這種量子態(tài)，QGM采用高能物鏡來收集原子發(fā)出的熒光。

普林斯頓大學的瓦西姆·貝克爾（Waseem Bakr）說：“你可以查看晶格內(nèi)的單個位置，使每個位置包含的原子成像，并偵測原子的自旋?！彼麕椭ㄔ炝说谝慌_QGM。貝克爾將這項技術比擬為掃描隧道顯微鏡（STM），后者在原子層面上使固體材料成像，雖然他爭辯說QGM有更好的性能?！巴ㄟ^STM，你必須逐個原子掃描材料，但用量子氣體顯微鏡，你對晶系進行快照，記錄下某個時刻的整個晶格?！?/p>

費米-赫巴德模型

為了解讀從QGM獲得的圖像，物理學家采用所謂的費米-赫巴德模型（Fermi-Hubbard model），它是關于晶格內(nèi)費米子相互作用的最簡單模型。盡管它很簡單，科研人員期待模型描述的理想化材料會展現(xiàn)包括超導現(xiàn)象在內(nèi)的若干電子相，于是他們努力去弄懂這個模型和它的預測。在麻省理工學院進行冷原子實驗的馬丁·茨維萊因（Martin Zwierlein）說，盡管仍然未得到證實，但許多人相信，費米-赫巴德模型準確描述了銅酸鹽中相互作用的電子。在模型中，費米子能在二維的方晶格中排列的位置之間躍遷。在銅酸鹽中，銅原子和氧原子形成相似的二維晶格，而三維結構是這些二維層和含有其他元素的二維層交替疊加而成。電子通過氧鍵在銅離子之間移動。

對于二維晶格，當每個晶格格位中只有一個原子時，或者當溫度“很高”（ 遠高于超導相所要求的溫度）時，理論家能以數(shù)值方式解決費米-赫巴德模型（通過計算機仿真）。否則，模型在很大程度上是難解的，盡管理論家在近期取得了一些進展。說出這番話的是英國斯特拉斯克萊德大學的安德魯·戴利（Andrew Daley），研究超冷量子氣體的理論物理學家。另一方面，戴利說，實驗沒有計算機那樣的限制，一旦攻克實驗的挑戰(zhàn)，超冷費米子晶格是“模擬”和探索費米-赫巴德模型預測的相的理想方式。這種觀點獲得了哈佛大學與格雷納一起工作的克里斯蒂·邱（Christie Chiu）的附和?！叭绻阆胍詫嶒灧绞接美湓幽M銅酸鹽材料，那么費米-赫巴德模型是你的基礎?！彼f道。

直到最近，實驗都還局限于研究莫特絕緣體之類的相，莫特絕緣體存在的溫度高于難以捉摸的超導體的溫度。兩年前，格雷納、邱與同事一起用QGM生成反鐵磁體，并令其成像。在反鐵磁體相中，每個晶格格位被一個原子占據(jù)，相鄰原子的自旋指向相反方向。貝克爾說：“粗略地說，假如你拍下原子的快照，你會看見自旋呈現(xiàn)棋盤的次序?！辈畈欢嘣谕瑫r，其他研究者完成了對反鐵磁體相的相似驗證，盡管是以更少的原子數(shù)量。

數(shù)月前，巴克爾和他的團隊觀測到另一個相：奇異金屬相，這個神秘的金屬相具有很差的電導率。研究者也開始“摻雜”實驗，在反鐵磁體中生成空的晶格格位，也就是“電洞”。生成電洞能允許他們探究所謂的贗能隙相，這個相與材料中電子間的相似孔洞有關。

假如你繪制下溫度對應于費米子（或電洞）密度的圖表，作為銅酸鹽的相圖，那么反鐵磁體相、奇異金屬相和贗能隙相都毗鄰超導相。對費米子晶格中部分相的觀察已經(jīng)促使研究人員期望下一步將會識別出超導相。來自加拿大阿爾伯塔大學的林賽·勒布朗（Lindsay LeBlanc）做過超冷原子實驗，她說道：“這些相被認為是銅酸鹽高溫超導現(xiàn)象的先兆?！?/p>

電洞濃度為零意味著每個晶格格位都有一個電子，而材料是反鐵磁體。隨著原子被移除，結構中產(chǎn)生電洞，晶系轉變成贗能隙狀態(tài)，然后變成“奇異”金屬（與電子有關的傳導性很差的金屬相）。假如在恰當?shù)碾姸礉舛认?，材料的溫度降低，它會轉變成超導體

用量子氣體顯微鏡生成費米反鐵磁體并令其成像

實驗在2018年取得“巨大進步”，科羅拉多大學實驗天體物理學聯(lián)合研究所（JILA）的冷原子理論專家安娜·瑪麗亞·雷（Ana Maria Rey）如此說道。她表示，實驗距離實現(xiàn)高溫超導體“十分近”，最多只差一兩年。格雷納贊同道：“假如存在這樣的相，那么我們獲得它只是時間問題?！?/p>

沒有適合費米子的冰桶

近期取得的進展很大程度上源自于研究者為了讓費米子晶格冷卻到更低溫度而玩的花招。這些實驗中的溫度通常都降至幾十納開爾文，但即使在這樣寒冷的條件下，原子仍然有顯著的熱能。有著類似能量的電子會在大約1 000K的溫度，大大高于超導現(xiàn)象出現(xiàn)所需的溫度。勒布朗說：“相對意義下，這些超冷實驗并不是那么冷。讓東西變冷總是很困難，你必須將那些能量和熵轉移到某個地方，在我們工作的實驗室，使這些孤立的冷原子系統(tǒng)變冷越來越困難?！?/p>

傳統(tǒng)上，讓物體降溫的方法是讓它們接觸到更冷的物體，后者扮演散熱片的角色，吸走物體的能量。對于多倫多大學的費米子晶格研究者約瑟夫·蒂維森（Joseph Thywissen）而言，這種冷卻方法的常用范例是冰桶內(nèi)的一瓶香檳，冰塊在此充當了散熱片。他說道：“但是，我們沒有這樣的冰桶，使一團原子從10納開爾文降溫到2納開爾文?！毕鄳?，科研人員嘗試了其他方法。

對于格雷納的團隊來說，訣竅是把原子降溫到足夠的程度，使反鐵磁相參與晶格內(nèi)能量的重新分配，外側邊緣的原子充當散熱片。通過這種做法，降低了晶格中心的原子能量，比之前最好情況好上兩倍多。其他研究團隊嘗試相關的做法來分配能量，但尚未見到進一步的降溫。

密歇根大學的凝聚態(tài)理論專家伊曼紐爾·古爾（Emanuel Gull）說，在過去10年里，“實驗所能達到的溫度一直在取得巨大進步”。然而，對于費米子晶格將證明有助于模擬和理解高溫超導體，他仍然持懷疑態(tài)度。他說：“到目前為止，這些實驗都沒有達到讓我們能回答關于銅酸鹽疑問的高度，因為實驗的溫度仍然太高?！?/p>

大多數(shù)專家都同意，要讓實驗達到超導相，溫度需要下降到目前的1/5。盡管哈佛大學的實驗專家邱承認，“我們其實并不知道我們需要把溫度降到多低?！钡?，即使沒有實現(xiàn)這個神秘的相，目前為止，在觀察的相的實驗進展，使得研究人員進入計算機仿真無法觸及的新高度，這有可能讓科研人員發(fā)現(xiàn)物質的新行為。格雷納說：“我們首次擁有這種量子樂高（積木組），我們能真正修補它們，并建造新東西?！?/p>

觀察超導體只是個開始

量子樂高積木組的可能性讓許多人激動，其中包括戴利和其他開始用費米子晶格來研究材料性質的學者。他說：“當我們開始時，實驗都是關于試圖再現(xiàn)凝聚態(tài)理論專家已經(jīng)在思索的那些相?，F(xiàn)在有些認真嚴肅的嘗試，是在光學晶格和其他冷原子系統(tǒng)中使用費米子，作為材料學的模擬裝置，這已經(jīng)超越構想過的凝聚態(tài)問題?！惫艩栒J為，費米子晶格的潛在益處在于研究動態(tài)問題，觀察隨著時間而演變的晶格狀態(tài)。他說：“動態(tài)的東西是數(shù)值方法無法探查的，我們手頭沒有這樣的工具。但那是我們能真正大展拳腳的領域?！?/p>

讓原子晶格降溫到納開爾文溫度類似于將香檳酒在冰桶內(nèi)冰鎮(zhèn)，但挑戰(zhàn)性大得多

然而，對于許多人來說，實現(xiàn)冷原子超導體依舊是終極目標，至少就目前而言。但是，即使他們達成目標，科研人員依然需要更長時間，揭開銅酸鹽的高溫超導性質的長久謎團。蒂維森說：“模擬和弄懂不是一碼事，假如我們用冷原子實現(xiàn)超導體，那么我們需要設計具體的實驗，提出小心選擇的問題，以便解開所觀察到的現(xiàn)象背后的物理機制?！蹦M高溫超導體“不是故事的結局，只是開始”。