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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？( 六 )


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图7: 按照超导BCS理论 ， 超导体的宏观量子相干性来源于电子Cooper 对的玻色爱因斯坦凝聚 。 而超导体中电子之所以可以形成Cooper对 ， 原因在于电子通过动态地共享晶格畸变感受到有效的吸引 。
我本人是受铜氧化物高温超导体发现的激励选择从事超导研究的 ， 当时（1986年）我还是高一的学生 。 后来在大学时我了解到超导早在1950年代就有了成熟的理论 ， 曾经有一脚踏空的感觉 。 直到研究生阶段的后期 ， 当我真正接触铜氧化物高温超导问题时才了解到情况并非如此 。 BCS理论只是给出了实现超导的一种可能途径（即电子的配对凝聚） ， 但不是唯一途径 。 而且 ， 即使局限在电子配对凝聚图像下 ， 造成电子配对的原因也远不止通过共享晶格畸变产生的有效吸引 ， 形成的电子对的结构也有着丰富的可能性 。
在铜氧化物高温超导机理的研究中 ， 物理学家发现BCS理论赖以成立的前提 ， 即电子在进入超导态之前近似独立地运动这一假设（也被称为费米液体假设） ， 并不成立 。 因此 ， 电子发生配对这一说法在铜氧化物高温超导体中甚至无法良好地定义 。 同时人们发现 ， 高温超导体的一系列奇异物性并不能按照标准的朗道对称性破缺理论描述 。 而上述这两点 ， 即费米液体理论和朗道对称破缺理论正是传统凝聚态物理的两块基石 。 所以任何关于高温超导机理的完整理解必然包含对于传统凝聚态物理框架的突破 。 这个突破的核心问题是解决如何处理电子运动的强关联效应 。 由于这一关联效应 ， 我们无法将体系中的电子近似看作独立运动的个体 ， 而需要将电子体系作为一个整体考虑 ， 在其复杂的量子运动中重新提取或识别基本模式 。 同时 ， 电子的关联效应有可能导致体系中涌现全新的（非局域的）量子关联结构 ， 从而使得对称性不再是描述其量子物态唯一核心的要素 。 近三十年来 ， 这方面的研究已经取得了大量的成果 ， 但是离形成系统的理论还有不小的距离 。 由于该问题的复杂性 ， 人们一度对于铜氧化物高温超导机理研究失去信心 。 直到最近十余年来 ， 由于实验所取得的这一系列进展 ， 我个人认为铜氧化物高温超导研究已经到了可以系统地发展或者证伪关于高温超导机理理论的阶段 。
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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图8: 安德森首先意识到高温超导机理问题与量子自旋液体问题的深刻联系 。 他提出的共振价键理论（RVB理论）启发并激励了不止一代人投身强关联电子体系新奇量子物态的探索 。 直到今天 ， 如何刻画量子自旋液体的结构 ， 如何描述其动力学行为仍然是一个没有得到很好解决的问题 。
铜氧化物高温超导机理的研究还催生了大量新的凝聚态物理前沿研究方向 ， 并导致凝聚态物理在思想方法和研究方法上都实现了质的飞跃 。 高温超导机理研究催生的新的前沿研究方向包括：量子磁性体系和量子自旋液体的研究 ， 尤其关于其奇异量子物态（拓扑物态）和分数化激发的研究；量子相变与量子临界行为的研究；非费米液体理论的研究 ， 等等 。 在思想方法和研究方法上 ， 由于强关联系统的非微扰特征 ， 大量现代场论方法和概念被引入高温超导机理研究 ， 并在相关凝聚态物理研究中发挥了重要作用 。 同时 ， 由于成熟解析理论的缺失 ， 量子多体系统的数值计算方法在高温超导机理研究过程得到了长足发展 ， 大量新的算法被提出 ， 例如各种类型的量子蒙特卡洛方法、动力学平均场方法、密度矩阵重整化群方法以及各种类型的团簇近似方法 ， 等等 。 上述这些研究方向每一个现在都已成为凝聚态物理的一个重要的子领域 。 另外 ， 近年来物理学家发现 ， 关于高温超导体奇异物态和强关联效应的研究与黑洞物理 ， 夸克-胶子等离子体 ， 处于幺正散射极限的超冷原子体系以及量子混沌的研究有着密切的关系 。 确实可以说 ， 高温超导机理研究从根本上改变了基础物理研究的面貌 ， 它不仅促成了基础物理学不同分枝间的交叉融合 ， 而且将凝聚态物理从一度被基于能带理论和微扰论的材料研究所主导的局面重新带回到基础物理的核心 。


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