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斯坦福物理学家寻找完美的钥匙来解开超导的奥秘

几十年来,Z-X Shen一直在利用人们对能使磁体悬浮的电子的奇怪行为的好奇心。

Zhi-Xun沈生动地记得他中学物理教师展示x射线的力量通过移除一块放射性物质从一个罐子储存在一个内阁,把它变成一个桶和桶之间有学生把他们的手和荧光屏显示骨头藏在皮肤和肉。

沈智勋(图片来源:SLAC提供)

“这给我留下了深刻的印象,”沈笑着回忆道。有时他会想,那一刻是否为接下来的一切奠定了基础。

沈承认,他对物理没有浓厚的兴趣。在上世纪70年代中期的中国,学习的动力并不大。当时中国正处于1966年的文化大革命时期,那场革命关闭了所有的大学,让中国大部分地区陷入贫困,其中包括他父母在上海南部行医的那个城镇。但是,在一个寒冷的早晨,当沈和他的母亲看着他的哥哥上了一辆去农村劳改营接受“再教育”的公共汽车时,沈转过身对他说:“你就是我们上大学的希望。”

然而,考虑到家里的情况,上大学似乎是一个不可能实现的梦想。然后一系列不太可能发生的事情改变了一切。

1977年,文化大革命结束,大学重新开放。

同样是这位鼓舞人心的中学老师组织了一场物理竞赛,当时16岁的沈参加了比赛,并在各级学校、区、市、省都获得了第一名。这是迷人的,并建立了他的自信心,使他更加坚信物理是他的领域,但它可能会导致什么呢?

高中毕业前,沈获得了大学录取,但在父亲的建议下,他推迟了一年进入上海复旦大学攻读物理专业。

在他攻读物理专业的第三年,他参加了诺贝尔奖得主、华裔美国人李宗道(Tsung-Dao Lee)刚刚启动的一个项目的入学考试,该项目吸引了数量有限的中国学生到美国进行物理深造。

就是这样,1987年3月,沈发现自己在一个被塞的满满的,通宵会议会话,被称为物理学的伍德斯托克音乐节,近2000名科学家共享相关的最新发展量子材料的发现了一个新类称为高温超导体。这些奇异的材料在比任何人想象的更高的温度下零损耗地导电,并且强力地释放磁场,使磁铁悬浮起来。他们的发现对社会产生了革命性的影响,为医学提供了更好的磁成像设备,为电力线提供了完美高效的电力传输,磁悬浮列车以及我们还没有想到的东西。

“我很早就到了那里,在谈判进行的房间里找到了一个座位,”沈回忆说。“对我来说,这是最令人兴奋的事情——一个全新的科学前沿突然打开了。”

工具的革命

另一个意外的幸运是,他碰巧处于一个完美的位置,跳入这个新的前沿领域,不仅是为了探测超导物质的量子态,而且是为了开发出更锐利的工具。

斯坦福大学读博士的时候,他就在现在的SLAC国家加速器实验室里使用极亮的x射线来研究相关材料,这个实验室就在主校区的山上。会议一结束,他就着手将他一直在使用的技术——角分辨光电发射光谱学(ARPES)——应用到新的超导体上。

三十多年过去了,尽管沈有了许多重要的发现,但关于这些材料如何工作的全部谜团仍未解开,他还是斯坦福大学人文与科学学院的Paul Pigott物理科学教授和斯坦福州立大学光子科学教授。他和他的同事们正在为可能是世界上最先进的探测非常规超导体和其他奇异物质形式的系统做最后的润色。

该系统的关键部分离斯坦福直线加速器同步辐射光源(SSRL)的x射线束只有几步之遥,沈就是在这里进行了第一批实验。其中一个是最近升级设置,科学家可以precision-build超导材料样品一次一个原子层,航天飞机通过管和真空室到SSRL beamline不暴露他们的空气,还可以测量分辨率比以前可能高出许多倍。他们制造的材料还被运送到世界上第一个x射线自由电子激光器,SLAC的直线加速器相干光源,用于其他方法无法进行的精确测量。

电子的合作

这些实验装置的设计有一个独特的目的:揭示电子怪异的协同行为,沈和其他人认为,这是解开超导和量子材料中广泛存在的其他现象秘密的关键。

沈对这个谜题的好奇心驱使着他去寻找答案,他说,他想知道“这个本不应该发生的非凡现象是如何发生的”。“你可以说这是一个宏观的量子现象——大自然拼命地试图揭示自己。这是因为这些电子以某种方式一起工作”

第一批超导体是在1911年发现的,当温度降到30开尔文(零下406华氏度)以下时,这种金属就能完美导电。理论学家花了大约50年的时间来解释这是如何工作的:电子与材料原子晶格中的振动相互作用,克服了它们负电荷之间的自然排斥,使它们能够配对并毫不费力地以零阻力行进。更重要的是,这些电子对重叠形成了凝聚态,一种完全不同的物质状态,它的集体行为只能用量子力学的非直观规则来解释。

科学家们认为,由于各种原因,这种情况不可能在更高的温度下发生。因此,1986年发现的在华氏零下225度高温下具有超导性的材料是一个冲击。更奇怪的是,这种超导电性的起始材料是绝缘体,而绝缘体的本质将阻碍电子的传播。

沈解释说,在完美的金属中,每一个单独的电子都是完美的,因为它可以自由流动,产生电流。但是这些拥有完美单个电子的完美金属不是超导的。

相比之下,材料中产生超导性的电子是不完美的,因为它们根本不能自由流动。但一旦它们决定合作并凝结成超导状态,它们不仅会失去电阻,而且还会排除磁场,使磁体悬浮起来。

“所以从这个意义上说,超导性要优越得多,”沈说。“系统的行为超越了个体的行为,这让我着迷。你和我是由氢、碳和氧组成的,但我们能够进行对话并不是这些单独元素的属性。”

尽管有许多理论被提出,科学家们仍然不知道是什么促使这些材料中的电子在如此高的温度下配对。追求是一个漫长的过程——距离伍德斯托克音乐节的那个疯狂之夜已经过去了33年——但沈并不介意。他告诉他的学生,一个重大的科学挑战就像一个谜题,你一次只能解决一块。他说,更好的工具正逐渐让人们关注全局,我们已经取得了长足的进步。

《斯坦福报告》探索了在艺术、人文、社会科学和其他科学领域中推动基础发现的好奇和兴奋背后的故事。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://news.stanford.edu/2020/09/10/unlocking-mysteries-superconductivity/