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科学|超导研究的历史与挑战：曾经辉煌，今路在何方？( 五 )


科学|超导研究的历史与挑战：曾经辉煌，今路在何方？
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科学|超导研究的历史与挑战：曾经辉煌，今路在何方？
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由此需要量子力学的解释 。 F. London的上述发现意味着 ， 超导体中电子的得布罗意波不知为何发生了量子协同 ， 表现得像一个单一的得布罗意波 。 而且该得布罗意波不受外电磁势的影响 。 这就是所谓的波函数量子刚性 ， 也是推导的最后一步 。
London兄弟的工作完成于1930年代 ， 尽管当时人们对于新生的量子力学的含义仍然争论不休 ， 但这项工作可以说这是人类第一次利用量子力学这种全新的世界观在原理上理解了一种宏观世界的奇异现象 。
超导机理研究随后的突破发生在1950年 。 这一年发生了两件大事 。 一是超导金兹堡-朗道理论的提出 ， 二是超导临界温度的同位素效应的发现 。
我们先来介绍超导金兹堡-朗道理论 。 这一理论是朗道关于物态的对称破缺理论最伟大的应用 。 朗道指出 ， 对于一个宏观物质 ， 区分其高温无序态和低温有序态的关键是对称性 。 具体来说 ， 高温的无序态具有和体系运动规律相同的对称性 ， 而低温的有序态则自发地破缺了体系运动规律的某些对称性 ， 对称破缺的程度由一个序参量描述 。 例如 ， 对于一个铁磁体来说 ， 其体内磁矩的相互作用是各向同性的 ， 没有特殊方向；高温的顺磁态也是各向同性的 ， 没有特殊方向；但是低温的磁有序态磁矩却破缺了这种旋转对称性 ， 获得了一个特殊方向（即有序磁矩的指向） ， 这里的序参量就是有序磁矩 ， 是一个带方向的矢量 。
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图6: 超导的金兹堡-朗道理论的自由能形式 。 这一理论不仅是朗道对称破缺思想最伟大的应用 ， 也开创了物理学中有效场论方法应用的先河 。
然而对于一个超导体来说 ， 体系在超导临界温度上下究竟破缺了什么对称性呢？或者说超导体的序参量是什么呢？我们知道 ， 超导临界温度上下体系的晶格结构和电子密度分布都没有发生定性变化 ， 因此这个对称破缺显得有些神秘 。 金兹堡和朗道的物理洞察力体现在 ， 考虑到正常金属和超导体的差别主要表现在其电磁性质上 ， 因此超导体在临界温度上下发生破缺的对称性一定与体系的电磁响应有关 。 而在量子力学中 ， 唯一与体系的电磁响应有关的对称性是被称为U(1)规范对称性的一种抽象对称性 ， 因此超导序参量一定是一个与这种U(1)规范对称破缺相联系的复数 。 有了这个认识 ， 该理论的基本结构就定型了 。
金兹堡-朗道理论在超导研究历史上扮演了极其重要的角色 ， 有研究者从这个理论得到诺奖级的重要预言 ， 但是它依然是一个唯象理论 ， 因为人们并不清楚超导体如何获得上述复数形式的序参量 。
超导临界温度的同位素效应为超导微观理论拉开了序幕 。 这个效应说的是 ， 当我们对元素超导体做同位素替代时 ， 体系的超导临界温度与同位素的质量的平方根成反比 。 这一发现表明 ， 至少对这些元素超导体来说 ， 晶格振动对于超导的发生起着决定性的作用 。 随之而来的是1957年BCS超导理论的提出 。 以巴丁、库珀、施瑞弗三个人的首字母命名的理论告诉我们 ， 超导体中的电子通过动态地共享晶格畸变可以发生配对 ， 而这些电子对的玻色凝聚则可以实现超导体中的宏观量子相干 。 至此传统超导理论的发展达到了顶点 。 在随后的几十年里 ， BCS理论和金兹堡-朗道理论不断被成功应用于处理各种具体超导问题 。
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