打破對稱性帶來的驚喜

2022年04月05日10:10

  來源:原理

  1911年,物理學家海克·卡末林·昂內絲(Heike Kamerlingh Onnes)最早注意到了超導現象。它起初被認為僅僅代表了一種科學的好奇,但隨後,這種非同尋常的現象為物理學家帶來了無數的理論挑戰和實驗驚喜。

  從20世紀中葉年著名的巴丁-庫珀-施里弗(BCS)理論的發展,到1987年高溫超導銅氧化物陶瓷的發現,超導性越來越多地受到了科學界的關注。

  但在實際應用中,超導體的一個問題是,它們幾乎都只能在超低溫條件下工作。如今,高溫超導已經成了凝聚態物理學中懸而未決的最大問題之一。

  近期,物理學家發現了對稱性和高溫超導體背後的物理學之間的一個關鍵聯繫。這些理論發現代表著向理解高溫超導性邁出了一大步。論文已於近日發表在《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體,事實上,不少純金屬都可以表現出這種特性。但從微觀層面上分析這些材料導電性的轉變卻非易事。

  直到1956年,物理學家思考了一種非相互作用的電子系統,從而發展出了BCS超導理論。簡單來說,超導現象發生在當兩個電子在低溫下結合時。通常兩個電子會相互排斥,但是當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,這是構成超導體的基本單元。也就是說,兩個電子之間似乎產生了一種能將它們粘在一起的”膠水“。

  在超導發展的曆程中,另一次轉變發生在1987年。當時,科學家發現了一種新型超導材料銅氧化物陶瓷。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體,保持著環境壓力下最高超導轉變溫度的紀錄。

  這類材料也被稱為莫特絕緣體,它們的特殊性在於,材料中的電子會發生強烈的相互作用,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。

  先前有關莫特絕緣體及相關物理學的研究大多專注於借助極為複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問題變得相當棘手。

  破缺的對稱性

  但在新研究中,科學家發現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。團隊找到了一種簡化的對稱性,讓科學家能以一種新的方式思考相互作用,闡釋高溫超導的更多細節。

  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,安德森和霍爾丹發現,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換有關。

  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。但新研究發現的是,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。

  當研究人員認識到打破費米液體的隱藏對稱性會導致莫特絕緣性後,他們順理成章地開始尋找現有的可分析的模型。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麼?結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變中“倖存”的對稱性。他們發現,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模型的魅力在於它的簡單性。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,研究發現,這種破缺的對稱性正是實現超導性的關鍵。可以這樣簡單理解,在BCS理論中,“破壞”費米液體並實現超導狀態的關鍵一步是允許庫珀對的出現,而在這個新理論中,這一關鍵步驟則變成了對稱性的破缺。這是解決高溫超導問題的一個重要部分。

  突破性的新發現

  科學家相信,這是一項突破性的發現,因為它減輕了理論學家對複雜模型(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性。用更專業的術語來說,這意味著,哈伯德模型和HK模型都位於同一個普適性類中,這正是統計力學和重正化群論的一個主要目標。

  它同樣直面了凝聚態物理學界沒能解決強相關係統中的粒子-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的基礎,可以極大地幫助理解高溫超導,最終帶來解決高溫超導問題的新方案。

  #創作團隊:

  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

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