打破对称性带来的惊喜

加藤和树 时间:2024-07-12 17:11:51

打破对称性带来的惊喜

来源:原理

1911年,物理学家海克·卡末林·昂内丝(Heike Kamerlingh Onnes)最早注意到了超导现象。它起初被认为仅仅代表了一种科学的好奇,但随后,这种非同寻常的现象为物理学家带来了无数的理论挑战和实验惊喜。

从20世纪中叶年著名的巴丁-库珀-施里弗(BCS)理论的发展,到1987年高温超导铜氧化物陶瓷的发现,超导性越来越多地受到了科学界的关注。

但在实际应用中,超导体的一个问题是,它们几乎都只能在超低温条件下工作。如今,高温超导已经成了凝聚态物理学中悬而未决的最大问题之一。

近期,物理学家发现了对称性和高温超导体背后的物理学之间的一个关键联系。这些理论发现代表着向理解高温超导性迈出了一大步。论文已于近日发表在《自然·物理》上。

莫特绝缘体 

在被冷却到超低温时,电流可以在电阻为零的情况下通过超导体,事实上,不少纯金属都可以表现出这种特性。但从微观层面上分析这些材料导电性的转变却非易事。

直到1956年,物理学家思考了一种非相互作用的电子系统,从而发展出了BCS超导理论。简单来说,超导现象发生在当两个电子在低温下结合时。通常两个电子会相互排斥,但是当温度下降到某一点时,电子会开始变得容易配对,形成所谓的库珀对,这是构成超导体的基本单元。也就是说,两个电子之间似乎产生了一种能将它们粘在一起的”胶水“。

在超导发展的历程中,另一次转变发生在1987年。当时,科学家发现了一种新型超导材料铜氧化物陶瓷。陶瓷在通常概念中是绝缘的,电流几乎无法通过,但这些铜氧化物陶瓷却是一类高温超导体,保持着环境压力下最高超导转变温度的纪录。

这类材料也被称为莫特绝缘体,它们的特殊性在于,材料中的电子会发生强烈的相互作用,而不像普通金属中的电子像费米液体理论描述的那样独立运动。

先前有关莫特绝缘体及相关物理学的研究大多专注于借助极为复杂的模型来处理强相互作用,比如哈伯德模型。但问题是,哈伯德模型的精确结果很难求解,有时甚至不可能解出,因为这种模型只有在一维情况下是可以精确求解的。这些相互作用也让超导问题变得相当棘手。

破缺的对称性 

但在新研究中,科学家发现了一种更简单的普适描述,或者可以理解成一种变通的办法,它可以巧妙地解释莫特物理学。团队找到了一种简化的对称性,让科学家能以一种新的方式思考相互作用,阐释高温超导的更多细节。

这种方法的线索来自诺贝尔奖得主菲利普·安德森(Philip Anderson)和邓肯·霍尔丹(Duncan Haldane)。简单来说,2001年,安德森和霍尔丹发现,费米液体理论包含了一种隐藏的对称性,这种对称性与仅仅是单一自旋种类的粒子和空穴之间的相互转换有关。

莫特绝缘体通常被认为没有打破任何对称性,而且正因如此,它们很难被描述。但新研究发现的是,它们的确打破了一种对称性,也正是安德森和霍尔丹所指的那种隐藏的对称性。

当研究人员认识到打破费米液体的隐藏对称性会导致莫特绝缘性后,他们顺理成章地开始寻找现有的可分析的模型。他们追问了一个看似非常简单的问题:打破这种对称性的最简单的模型是什么?结果却带来了一个惊喜。它是在1992年提出的一个模型,被称为初贝-甲元(Hatsugai-Kohmoto,HK)模型。

在他们最新的论文中,团队证明HK模型是打破这种粒子-空穴对称性的最简单的模型。研究人员追踪了那些在莫特金属到绝缘体转变中“幸存”的对称性。他们发现,HK模型恰恰打破了那种隐藏的对称性,它引入了莫特绝缘体所需的正确的、且唯一相关的相互作用,得到了莫特绝缘体。

作者还证明了,哈伯德模型其实同样打破了粒子-空穴对称性。但两者的不同是,HK模型的魅力在于它的简单性。换句话说,HK模型包含了哈伯德模型及其影响,这说明HK模型具有更强大的通用性。

更重要的是,研究发现,这种破缺的对称性正是实现超导性的关键。可以这样简单理解,在BCS理论中,“破坏”费米液体并实现超导状态的关键一步是允许库珀对的出现,而在这个新理论中,这一关键步骤则变成了对称性的破缺。这是解决高温超导问题的一个重要部分。

突破性的新发现 

科学家相信,这是一项突破性的发现,因为它减轻了理论学家对复杂模型(比如哈伯德模型)的过度依赖。此外,HK模型是普适性的一个突出例子,它能广泛地解释高温超导性。用更专业的术语来说,这意味着,哈伯德模型和HK模型都位于同一个普适性类中,这正是统计力学和重正化群论的一个主要目标。

它同样直面了凝聚态物理学界没能解决强相关系统中的粒子-空穴对称性破缺的问题。他们相信,证明HK模型打破了这种对称性,从而引出了高温超导的基础,可以极大地帮助理解高温超导,最终带来解决高温超导问题的新方案。

#创作团队:

撰文:Gaviota

排版:雯雯

#参考来源:

https://physics.illinois.edu/news/46009

https://theconversation.com/physicists-hunt-for-room-temperature-superconductors-that-could-revolutionize-the-worlds-energy-system-80707

#图片来源:

封面图:PIRO4D/Pixabay

首图:Argonne National Laboratory / Flickr

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