超导的秘密，或许就藏在这个奇怪的金属里_风闻

今年上半年，随着曼彻斯特大学的Dias教授在美国物理学会上宣布实现了室温超导，这个概念在各个社交平台上大火，多篇相关的论文跟着发了出来，B站上甚至还有直播实现室温超导。

但子弹飞了半年后，以Dias为首的多篇论文全被撤回，室温超导这一话题很快地消失在人们的视野中。

除了室温超导外，大家或许听过低温超导和高温超导。三者的区别显而易见——实现超导的温度不同。从字面意思看，三者的温度是从低到高。但实则，低温超导温度最低，室温超导的温度远高于高温超导。

目前低温超导（0到40K，即-273到-233摄氏度）和高温超导（40K到130K上下。也即-233到-143摄氏度）是可以实现的。而低温超导有一套相当准确的理论可以描述（BCS理论），但高温超导的相关理论却依旧是一个谜团。

与通常以合金为材料的低温超导不同，高温超导的材料是一种名为“奇异金属”的材料。

听名字就够怪了吧。这种材料在相对低温时超导，超过了临界点后电阻上升，这跟一般金属没区别。但奇异金属与众不同的是，一般金属的电阻随着温度的二次方增长，奇异金属的电阻却随着温度线性增长。

铜氧化物电阻随温度变化

该如何解释呢？

自从1986年第一次发现奇异金属后，这个问题就始终没得到回答。列夫·朗道的费米液体理论准确描述了一般金属，但在奇异金属身上已然失效，科学家们找不到合适的理论，而这也成了凝聚态物理领域的一大谜题。

但为了更好地理解和应用高温超导，科学家们必须啃下这块儿硬骨头。

最近，莱斯大学教授道格拉斯·纳特尔森（Douglas Natelson）和他的博士生陈立阳等人做了一个实验，有望驱散笼罩着高温超导的迷雾。

他们用奇异金属制备了纳米级导线，使电流通过。实验测得该导线中的电流流动十分均匀且平稳，与一般金属中的电流判若云泥。这出乎了他们意料，但同时又在情理之中。

情理之中，是指他们预料到奇异金属中的电流会与众不同。但他们没料到，这种均匀的电流中似乎没有任何带电粒子，就像找到了一种没有水分子的水。

所以到底是怎么一回事呢，这一结果对解开奇异金属之谜，理解高温超导有什么帮助吗？

金属中的电子

我们前面提到，奇异金属中的电阻随温度呈线性增长。

要理解这一现象的奇怪，我们必须首先从电阻与温度的本质说起。

中学物理老师讲过，电阻是电子通过导体时受到的阻碍程度。而温度，嗯，好像就是温度。

老师并不会继续深入下去，但会告诉你：电阻越大，导体越容易发热。

温度与电阻的关系，从微观世界的角度去解释会非常清晰：

电阻，实际上是导体内部的原子、离子、晶格等微观结构，与电子发生碰撞，使其运动受到阻碍。这一现象也叫电子散射。

而温度，在金属中本质上是原子的振动。当材料的电阻高，电子与原子的碰撞几率大。而每次碰撞，电子的一部分能量就会转移给原子，使其振动加剧，从而使得材料温度上升。

可以发现电阻与温度，和电子行为息息相关。所以，要理解电阻随温度线性上升的直线为何如此奇怪，了解奇异金属中的电子行为尤其重要。

我们先来说一说一般金属中的电子。

在一般金属中，电阻随温度的平方上升，这一规律正是朗道的费米液体理论所描述的。

金属中的电子是如何运动的？大家在中学时都知道，金属是导体，其中价电子可离开金属原子，自由移动。

这种认识其实是有偏差，但也有其正确性的。为什么这么说呢，听我一步步道来。

在量子力学出现前，物理学家Drude将金属中的价电子视作自由气体。

小学生都知道，固态、液态和气态三态的不同来源于分子间的相互作用力（范德华力）不同。固体分子间相互作用力最大，气体分子间相互作用力最小，基本可以忽略，液体分子间相互作用力居中。

Drude认为金属作为导体，其价电子间像气体一样无任何相互作用，因此也像气体分子那样遵从玻尔兹曼统计分布。按照这一规律，相同能量的粒子可以拥有无数种运动状态。

但在量子力学的重要原则——泡利不相容原理被发现后，这一理论就崩坏了。

依据泡利不相容原理，同一能级的电子的量子态是有限的，这与玻尔兹曼统计分布冲突。

遵循泡利不相容原理的粒子的分布规律为费米统计分布，就是粒子依据能量从低到高依次排序，一个萝卜一个坑直到占满。这样分布的粒子叫费米子，电子就是一种费米子，这也是“费米”液体前缀的来由。

另一方面，科学家们经过计算发现，金属中****电子之间的相互作用事实上已经强到不容忽略，这就意味着它们并不像自由气体分子那样无相互作用，而更类似于液体。

但前面不是说自由气体模型也有其正确性么，这不是都忽略了粒子间相互作用么，正确在哪儿呢？

固态、液态和气态中，固态整体相对稳定，气态由于不考虑粒子间相互作用，所以研究单一粒子也很方便。但液态就不一样了，不仅整体不稳定，而且每个粒子都会受到其他粒子的影响。这也不是那也不是，到底该怎么研究呢？

列夫·朗道没有局限在这种思维中，他跳了出来，不考虑电流中某一个粒子，而是将一团做集体运动的粒子视为一个“准粒子”，准粒子之间的相互作用可以忽略。

前苏联物理学家列夫·朗道（Lev Davidovich Landau），1962年获诺贝尔物理学奖

如此，由准粒子构成的费米液体，与无相互作用的自由费米气体基本一致。科学家们只需要将计算式中的电子质量替换为“有效质量”，就能运用自由气体的那套计算方法。

大家可能会认为，所谓准粒子不过是一个人为引入的概念，又不是真正的粒子，至于有这么大的作用么？

至少就成果而言，在朗道引入准粒子前，科学家们不知道该怎么研究复杂的费米液体。引入之后，人们成功预测了在低温条件下，金属的电阻随温度的平方而增长，同时费米液体理论也成为了超导BCS理论的基础。而准粒子，如今已是凝聚态物理的重要概念。

我再给大家一个具体的例子，来说明准粒子的重要性，这个例子也与文章开头提到的实验有关。

声子，是研究固体的晶格振动引入的准粒子。我们来看看这个声子有什么用。

以硅为例，在硅晶格中，每个硅原子与另外四个硅原子之间形成共价键。大家可以把共价键看作弹簧，一个硅原子振动，其能量就会通过这些弹簧传递给相邻原子。那么，我们要如何去量化这种能量呢？

原子的振动都是有频率的，这表现了波的特性。事实上，它和声波这类机械波在固体中的传递很相似。

但声波与原子振动并非一个尺度，在原子尺度下，你得尊重量子力学。这也就是说，我们需要把振动的能量量子化。

怎么办呢？答案想必呼之欲出了，引入一种不存在的准粒子——声子。

就像光子是光/电磁波的量子化，声子可视作声波的量子化。而声子在很多方面的特性也很类似于光子。比如它们的能量都可用普朗克常数乘频率得到，或者它们都表现出玻色子特性（不遵循泡利不相容原理，多个相同的玻色子可同处一个量子态）等等。

声子就像最恰当的模型，有了它，科学家们才能更好地研究晶格振动。朗道在费米液体理论中引入准粒子也是同理。

只不过，30年后，费米液体理论在奇异金属中失灵了，而准粒子，似乎也不再适用。

解剖电流

自从1986年奇异金属出现，科学家们就提出了各种理论，试图解释那根奇怪的直线。

有人认为那是因为奇异金属中的原子排列无序，且电子间发生了量子纠缠，这导致奇异金属中的电子运动非常复杂，电子散射也与一般金属中不一样，从而导致电阻随温度线性增长。

但这样的解释未免太模糊。事实上，大多数解释奇异金属的理论都是如此，基于大量的假设和猜想。而试图用数学去精准描述的也有，比如物理学家萨赫杰夫就提出了SYK模型，这一模型得到了线性电阻结果，但并不现实，因为它完全没有考虑空间这一因素。

后来有人想通了，对这样一个极其复杂的课题，与其想一个完美的理论去定义它是什么，不如先排除它不是什么。

这就是文章开头提到的那个实验所做的事。

纳特尔森目标是回答这个问题：奇异金属中的电流，是以准粒子形式存在的吗？

为了找出答案，他们采用了测量流动中的涨落的经典方法——“散粒噪声”法。

什么是散粒噪声？比如天气预报说，一个小时内会有5mm的雨水降下。我们把所有雨水看作一个巨大的雨滴。如果将它分成一个个大型雨滴，那么这些雨滴落地的时间差会很大。而如果我们将它分成细小且均匀的雨滴，那么这些雨滴落地的时间差就会很小。

前者的散粒噪声大，后者的散粒噪声小。

而我们可以反过来，通过散粒噪声的大小来推测雨滴的大小。

测量电流时也是同理。纳特尔森希望通过散粒噪声了解奇异金属中准粒子的“大小”。

但是要做到准确测量并不简单。因为奇异金属中的电子动量极低，对噪声非常敏感（噪声就包含了前文提到的声子），他们的实验的材料需要非常的精细。因为材料越精细，影响电流的未知因素就越少。

具体而言，他们需要将奇异金属缩小到纳米尺度。

这并不是一件容易的事情，实验室并没有芯片工厂那样的精密仪器，大多数都得靠“手搓”。

但纳特尔森的博士生，陈立阳花了将近一年的时间“搓”了出来。

他选择研究一种由镱、铑和硅制成的奇异金属。这是因为，导师的老伙计维也纳科技大学的西尔克（Silke）那已经做出了厚度几十纳米的薄膜。

而陈立阳要做的，就是将薄膜切割成纳米尺度长宽的导线。

一开始，他的想法是通过对奇异金属薄膜进行“原子喷砂”来一点点将其磨细。但尝试后他发现，这样磨出的导线不会表现出标志性的线性电阻，根本做不了实验。

在试了多种方法后，他找到了一种能保护奇异金属的方法：先用铬对金属进行镀层，使用氩气流将其余都冲刷掉，然后用盐酸洗去铬镀层。

这样，陈立阳制作了几根几乎完美的纳米导线。每根导线大约长600纳米，宽200纳米。

有了合适的导线，实验正式开始。

研究人员先将纳米导线冷却接近绝对零度，这是为了减小晶格振动，排除它对电流的影响，然后再使电流通过。另外他们还设置了对照组，经过同样处理后，使电流通过了由金制成的纳米导线。

结果，金导线中的电流散粒噪声大，与一般金属中由带电准粒子构成的电流无异。但在奇异金属中，电流的散粒噪声极小。

这表明，奇异金属电流中的准粒子颗粒极小，小到甚至可以说，消失了。

尾声

纳特尔森和陈立阳的实验提供了清晰的证据，但同样引起了很大的争议，因为并非所有物理学家都相信这个实验击败了朗道的准粒子。

他们指出，实验存在一个局限，只测试了一种材料，这并不能保证在其他奇异金属中的电流散粒噪声也会小。并且，即使陈立阳将材料做到了纳米尺度，也无法排除所有未知因素。

在我听来啊，他们说的虽然并不是没道理，但听感和不愿意承认错误，不断挑刺儿的小学生实在是一模一样……

在这“倔强”的背后，大概还深藏着对未知的担忧：如果不能用准粒子这样好用的“工具”，那该用什么呢？

很遗憾，现在的物理学家们中没有一个能像朗道那样平息争论。他们大多用一系列隐喻来回答：

比如伊利諾大学的菲利普·菲利普斯（Philip Phillips）教授将奇异金属中的电子比作轮胎中的橡胶。当橡胶从树上取下时，其分子排列成单独的串。但在硫化过程中，这些串会转变成坚固的网状结构。从个体的集合中产生出一种新物质。

亦或前文制备薄膜的西尔克，花了20年时间探索出一种理论，奇异金属中的准粒子在“量子临界点”时分解。在这个临界点上，两种不同的量子状态争夺上风。

这些理论，离解开奇异金属之谜都有些遥远了。

大家来看看这张图吧：

这是简化版的铜氧化物量子态相图。横坐标为载流子浓度，纵坐标为温度。目前人类能解释的，只有SC（超导）和FL（费米液体）而已。悬在上方的大块空白，正是奇异金属。

超导研究的目标，就是去拓展SC这块区域。要么拓宽，使超导能在更宽广的载流子浓度区间内发生；要么拔高，使得超导能发生在更高的温度。

而这，无疑是需要对奇异金属进行更多的研究才行。

费米液体区域，已经给予人类许多新物理。奇异金属，这片尚未被人们探索的蓝海，将来又能挖出什么宝藏呢？