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发布日期：2024-07-13 作者：开云
片子《阿凡达》潘多拉星的空中悬浮的巨石山使人影响深入，这些巨石中含有一种珍贵的矿产，是一种罕有的室温超导体，表示出奇异抗磁性质，在潘多拉星的磁场感化下，便能发生这巨石浮空的气象。
在实际世界中，常压下的室温超导依然还没有实现，但其实不故障它成为物理学家心中的“圣杯”，并等候着有一天，它能从荧幕走进实际。
近日，西湖年夜学物理学讲席传授吴参军团队结合北京理工年夜学杨帆传授，以“Interlayer-Coupling-Driven High-Temperature Superconductivity in La3Ni2O7 under Pressure”为题，在《物理评论快报》上颁发研究功效，他们对近期发现的镍基La3Ni2O7系统中的高温超导现象，提出了洪特法则帮忙的超导配对机制，成立了该系统中超导机制的最简模子【1】。此机制今朝已初步获得了基在密度矩阵重整化群的数值研究的撑持【2】。
论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.146002
高温超导：扭转、跳跃、永不断歇
一花一世界，哪怕一个很是小的固体，里面的电子数量也是数以亿万计，多到阿伏伽德罗常数(6×1023)的量级。
就像人类社会一样，电子之间既彼此竞争，又彼此合作。在凝集态物理世界，科学家们关心电子的“社会学”行动，并根究其背后的“社会组织”原则。超导现象就是此中一个的卓异问题（outstanding problem）。
超导，指的是在低温的前提下，某些材料的电阻忽然变成零，电流可以在材猜中无阻力地活动，不会因电阻而发生热量损掉。零电阻还不足以反映超导的全数性质，超导体还具有完全抗磁性，也就是说磁场会被排出超导体外。如许磁场会对超导体发生斥力，可以用来实现磁悬浮。超导最先呈现的温度，叫做超导改变温度。
为何在低温状况下，电阻会消逝呢？也就是说电子能在没有电压驱动的环境下，一向活动下去而不会住手。形象地说，这相当在“磨擦力”完全地消逝了，这是不可思议的工作。这不但是凝集态物理，并且是全部物理学，甚至全部科学所要关心的卓异问题。
这是由于超导体中的电子在低温下构成了一种非凡的配对状况—— “库珀对”（美国物理学家Leon Cooper在1956年初次提出）。这类配对是电子在超导状况中可以或许以无阻力的体例自由活动的先决前提。一般来讲，库珀对中的两个电子具有相反的自旋标的目的，一个自旋向上，另外一个自旋向下。这类配对体例有助在下降系统的总能量。
要进入超导状况，光是实现配对还不足够， 这些库珀对在相位上必需显现出高度的相关性。打个例如，本来紊乱无序的电子两两配对后，需要构成一个“有组织”、“有规律”的方阵，如许的步队使得电子对在输运进程中几近不遭到任何阻碍。
而所谓高温超导体，其实不是年夜大都人认为的几百度高温，只是比拟本来超导所需的超低温度高上很多。由于液氮在工业制备上很是廉价，人们把液氮的沸点77K (-196℃）作为一个边界。改变温度在液氮沸点之上的超导体，可以用液氮降温来实现其超导态，这给研究带来很年夜的便当。这类超导体叫做高温超导体，反之，改变温度低在液氮沸点的超导体则叫做低温超导体。
高温超导样品钇钡铜氧
第一类高温超导体——铜氧高温超导体在1986-1987年间被发现，距今已有三十多年，颠末凝集态物理学们艰辛卓绝的尽力，高温超导的研究已获得很年夜的进展。例如，铜氧高温超导体的超导对称性已被肯定为很是规的d波对称性。可是，高温超导机理研究在很多重年夜问题上一向没能构成共鸣，高温超导材猜中发现的年夜量反常量子现象也不克不及在已有的固体量子理论的框架下获得注释。
客岁，中山年夜学物理学院王猛传授团队初次在镍氧化物中发现了到达液氮温度（-196℃）的超导电性。这是人类今朝已知的第二类到达液氮温区的很是规超导系统。
材料新性质的发现意味着甚么？不但仅是多了一种高温超导的材料，对理论物理学家而言，更是多了一条新路子去摸索高温超导背后的奥秘。
西湖年夜学吴参军研究组就是从事镍基高温超导理论研究的团队之一。
洪特法则：磁的魔力转圈圈
吴参军传授，原加州年夜学圣迭戈分校（University of California, San Diego）物理系传授，美国物理学会会士（ American Physical Society Fellow），2021年插手西湖年夜学，任物理学讲席传授。
自2006年最先，吴参军传授最先摸索洪特法则(Hund’s rule )在多体物理中的效应，是在这个标的目的的初期研究者之一。这个研究以期架起局域性质和全局物理之间的桥梁。
吴参军
他的初期工作把电子轨道的洪特法则，推行到玻色原子若何填充光晶格高能级的简并轨道的问题，获得了针对玻色子的轨道填充的洪特法则，由此致使光晶格格点上的轨道角动量极化【3】。这表示出在非零动量的玻色爱因斯坦凝集，从而自觉地粉碎了时候反演对称性，在空间上表示出涡旋和反涡旋的交织摆列。使人振奋的是，这些猜测已在超冷原子物理尝试上被不雅测到。这个现象和当下对很是规超导体研究中被广为存眷的配对密度波，是极其类似的。物理学在分歧的系统中表示出惊人的类似性和普适性。
另外，他还证实了严酷的定理，说明了洪特法则在铁磁金属构成全局磁化的进程中所起到的主要感化【4，5】, 并系统地研究了居里温度之上的居里-外斯顺磁金属态中的磁临界涨落。
那末，甚么是洪特法则？
电子在原子中不但在环绕原子核活动（轨道活动），还具有一个量子自由度叫自旋，电子的自旋可以向上或向下。自旋可以粗略得被理解为电子在绕着本身的轴扭转，可是人们至今没有发现电子有内部布局，如许的图象明显是过在简化的。洪特法则是原子核外电子填充原子轨道的一个纪律，由德国物理学家弗里德里希 洪德提出。每一个原子轨道最多可以容纳两个自旋相反的电子。当电子在能量不异的多个轨道上排布时（如许的轨道被称作是简并的），老是尽量分占分歧的轨道且连结自旋标的目的不异。量子力学的计较注解，如许的排布体例总能量最低。
换句话说， 电子以自旋不异的体例占有分歧的简并轨道，直到每一个轨道都最少有一个电子，而且每一个电子的自旋都与其他电子不异。而当每一个轨道里面有两个电子时，因为泡利不相容道理，这两个电子的自旋相反的。
一般来讲，这个法则描写的是单个原子内部的物理，而凝集态物理的焦点是固体内年夜量电子行动所表示出的集体特点。
那末原本描述原子内部物理的洪特法则，将会对镍基高温超导如许的电子集体行动，起到甚么样的感化呢？
一种可能的La3Ni2O7超导机制：顺藤摸瓜
回到客岁发现的镍基高温超导体La3Ni2O7，这是中国科学家在全球率先发现的全新高温超导系统，意味着为世界超导研究供给了一个新的标的目的。发现至今，已吸引很多科学家一探此中的高温超导机理，而吴参军团队和杨帆传授研究的落脚点在洪特法则。
高温超导镍氧化物其电子布局、磁性与铜氧化物不同很年夜。比拟铜基高温超导体，镍基La3Ni2O7具有一个特殊的双层布局，双层内部的关系慎密，而分歧的双层之间的布局比力疏松，如许的布局一般称之为准二维布局。一个镍原子上有程度（3dx2-y2.）和垂直（3dz2）的两个活性轨道。前者在镍氧层内延展，此中的电子很轻易在层内活动；后者延展标的目的垂直在镍氧层，此中的电子很难在层内活动（见图1）。
在双层布局的内部，上下两层的3dz2轨道垂直在镍氧层，它们在层间具有强烈的反铁磁耦合，这意味着两层的3dz2轨道中的电子自旋标的目的相反。它们之间配对的气力很强，可是因为3dz2轨道在层内的活动很坚苦，难以成立超导所需要的位相相关性。简言之，就是贫乏足够的活动能力在各个配对之间进行有用的沟通，没法构成一个“方阵”来移动。
研究团队留意到，反而，程度3dx2-y2轨道在镍氧层内的活动很轻易，这很是好理解，由于这个轨道自己就沿着镍氧平面内延展。但把超导的原由归结在3dx2-y2轨道能带也有一个坚苦：其填充处在极端过搀杂状况，3dx2-y2轨道中的电子配对异常的微弱。
前面提到过，库珀对是电子在超导体中可以或许以无阻力的体例自由活动的需要前提，没法配对就意味着没法实现超导，这与材料表示出的高温超导性质不符。
为领会释这个矛盾，研究团队提出将洪特法则引入。
程度轨道3dx2-y2自己难以在层间成立反铁磁耦合，可是洪特法则把此中电子的自旋和垂直轨道3dz2中的自旋锁定，从而3dx2-y2经由过程3dz2轨道的层间耦合成立了层间反铁磁耦合，其强度很年夜足以撑持高温超导配对，同时因为3dx2-y2自己易在在镍氧层内活动，可以很轻易地成立相位相关（见图1）。换句话说，洪特法则是位优异的“红娘”，帮忙两层的电子顺遂“牵手”，使得以后的故事瓜熟蒂落。
这项研究也估计了超导对称性是层间配对的s-wave对称性，这类对称性较层内配对的d-wave对称性而言，更加可能。
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图1. La3Ni2O7具有双层镍氧面的布局。在一个原胞当中的上下两层中各有一个镍原子。每一个镍原子上各有两个活性的轨道3dz2和3dx2-y2，此中电子的自旋别离用蓝色和红色箭头来暗示。分歧层的两个镍原子的3dz2轨道之间具有强烈的反铁磁耦合，表示在上基层中的两个蓝色箭头标的目的相反。在统一个的镍原子中，分处在两个轨道中的电子的自旋由洪特法则锁定，其箭头标的目的不异。如许，本来3dz2轨道的层间反铁磁耦合，经由过程镍原子内部的洪特法则，传递到3dx2-y2轨道的开云体育app层间反铁磁耦合，成为3dx2-y2轨道层间库珀配对的驱动力。
研究团队缔造性地援用了洪特法则注释超导配对机制，摸索了洪特法则在多体物理中的效应，同时，成立了La3Ni2O7系统中超导机制的最简模子，为镍氧化物高温超导现象供给了一种理论注释。
从客岁七月底发布在arXiv以来，该研究功效在文献和预印本中已被援用跨越了40余次，获得了范畴内的普遍存眷，这在强联系关系物理理论方面很是少见。今朝，已有好几家研究团队直接采取了该工作中提出的最小模子作为起点来研究La3Ni2O7中的配对机制和超导现象。
吴参军暗示，这个理论的提出是基在科学家的物理直觉、洞察力和需要的计较和逻辑推理。但是，正如所有科学理论一样，其是不是可以或许终究成功，是不是具有普适性，还需要承受范畴内将来尝试的查验。
西湖年夜学理学院博士后卢晨、博士后潘志明为本论文的配合第一作者；西湖年夜学理论物理讲席传授吴参军、北京理工年夜学杨帆传授为本论文的配合通信作者。
参考文献
[1] Chen Lu, Zhiming Pan, Fan Yang, Congjun Wu，“Interlayer-coupling-driven high-temperature superconductivity in La3Ni2O7 under pressure”，Phys. Rev. Lett. 132, 146002 (2024).
[2] Xing-Zhou Qu, Dai-Wei Qu, Jialin Chen, Congjun Wu, Fan Yang, Wei Li, “Gang Su，Bilayer t-J-J⊥ Model and Magnetically Mediated Pairing in the Pressurized Nickelate La3Ni2O7”, Phys. Rev. Lett. 132, 036502 (2024).
[3] Congjun Wu, ，'Unconventional Bose-Einstein Condensations Beyond the ``No-node'' Theorem' ，Mod. Phys. Lett. 23, 1 (2009).
[4] Yi Li, E. H. Lieb, Congjun Wu, “Exact Results on Itinerant Ferromagnetism in Multi-orbital Systems on Square and Cubic Lattices”, Phys. Rev. Lett. 112, 217201 (2014) .
[5] Shenglong Xu, Yi Li, Congjun Wu，“Sign-Problem-Free Quantum Monte Carlo Study on Thermodynamic Properties and Magnetic Phase Transitions in Orbital-Active Itinerant Ferromagnets”，Phys. Rev. X 5, 021032, (2015) .
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