探索新超導體：無聲子的超導性

The Quest for a New Class of Superconductors
http://www.physorg.com/news117380394.html

December 20, 2007

在諾貝爾得主解釋超導體如何運作 50 年之後，來自於 LANL、愛丁堡大學與劍橋大學的研究團隊，為這種仍然不可思議的現象提出另一種機制。

一篇今日（20）在 Nature 上發表的 review 中，研究者 David Pines、Philippe Monthoux 與 Gilbert Lonzarich 假定（posit），在某些物質中，超導性能在電子與物質結構的振動性移動（vibrational motion）之間缺乏交互作用的情況下被實現。

這篇評論，「Superconductivity without phonons（無聲子的超導性）」，解釋材料，在某些情況下，如何在一種非傳統的方式下變成超導體。超導性，一種無電阻現象，通常在攝氏 -253 度附近的極端低溫下發生 -- 在如此酷寒之下，氫都可以變成液體。超導性在 1911 年首度被發現。

一種新材料類型，那能在接近液態氮的溫度下變成超導體（攝氏 -196 度），則稱為「高溫超導體」。

傳統低溫超導體的一種理論，基於電子間的有效吸引（effective attraction）交互作用，是在 1957 年，由 John Bardeen, Leon Cooper 與 John Schrieffer 所發展。這種解釋，通常稱為 BCS Theory，在 1972 年讓三人獲得諾貝爾物理學獎。

電子之間的淨吸引，構成 BCS 理論的基礎，來自於它們耦合到聲子（phonons，超導材料晶格的量子化振動）；這種耦合導致一種肉眼可見的、包含成對電子之已佔用的量子態形成 -- 在這種狀態下，電子可任意流動而不會遇到阻礙，這就是超導態。

"很類似在水床當中的振動，那最終會迫使佔用者一起移到中央，聲子可迫使自旋相反的電子彼此吸引，" Pines 說，他與 Bardeen 在 1954 年，證實這種吸力顯然比電子之間的斥力要強很多，這為在幾年之後被發展出來的 BCS 理論鋪路。

然而，根據 Pines, Monthoux 與 Lonzarich 表示，電子吸引導致超導性的產生，能發生在材料中沒有聲子的情況下。這時材料瀕於展現磁有序（magnetic order） -- 在其中電子自成一種規則的、交替自旋的模式。

在他們的 review 中，Pines, Monthoux 與 Lonzarich 檢查「使大規模有效吸引成為可能」之材料特性，這種特性源自於某一電子與內在磁場的耦合，而這種磁場是由其他材料中的電子所產生。所產生的磁性電子對（magnetic electron pairing）能引發超導性，有時在本質上其溫度比「以聲子當作成對膠合媒介」的材料來得高。

這些無須聲子就能產生超導性的材料，就是所謂的重電子超導體（heavy electron superconductors），那從 1980 代初期就已在 Los Alamos 獲得廣泛研究，某些有機材料與氧化銅材料，其超導電溫度比液態氮要高出二倍。

"我們若能發現超導電發生在室溫的材料 -- 超導性的聖杯 -- 那它一定是在這類材料（譯註：無聲子）當中，" Pines 說。"這項研究證實，在尋找新超導材料類型時，該往哪找了。"

※ 本文順便慶祝發文第五百篇 :)

＊ Superconductivity without phonons
http://www.nature.com/nature/journal/v450/n7173/abs/nature06480.html

P. Monthoux, D. Pines & G. G. Lonzarich
Nature 450, 1177-1183 (20 December 2007)
doi:10.1038/nature06480

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