用冷原子模拟超导体

编译 姚人杰

科研人员说，他们接近用超冷原子晶格模拟高温超导体，这是解释超导体的完美导电状态的一步。

排列于规则晶格中的超冷原子可以为弄清高温超导现象的起源提供线索。晶格格位的排列（白色能量面中的低谷）在实验中通过激光来制造

自从1986年发现铜酸盐超导体，物理学家对此迷惑不已。这些含铜的材料能以零电阻导电的温度高达135K，远在理论预测的30K到40 K之上。在最近33年里，科研人员试图解释这种神秘的行为，但仍然缺乏一套完整的描述。然而，物理学家将超冷原子排列于激光生成的规则晶格中，以此做研究，并认为他们的实验可能在不久提供所需的线索。这些实验也许近似于生成高温超导体的模型，由原子在其中扮演电子的角色。这样的一套系统会使科研人员以空前的方式控制那些生成超导现象的因素，会提供一套能得出高温超导谜团答案的工具。

高温超导作为催生更低廉高速火车、改善电厂发电能力的技术早已广为人知。虽然高温超导体已经出现在一些测量磁场和侦测雷达信号的仪器上，但上述想法还有待落实。用基本术语来解释高温超导现象应该会帮助科学家优化这些材料，但高温超导现象可以说是凝聚态物理学中最大的未解难题之一。高温超导现象的完整理论会对固体中电子的行为提供全新的洞察。

解释铜酸盐材料的高温超导现象的困难来自材料的复杂性，这导致科学家难以通过实验、计算机模拟或纯理论来研究铜酸盐。根据一些研究者的说法，简化且更易控制的模型系统能帮上忙。拥有奇数中子的原子是费米子，因而与电子（电子也是费米子）一样遵守相同的统计规律。结果显示，这样的费米原子在冷却并用激光放置于类似晶体的布局中，就能模拟复杂固体材料中电子的行为。譬如说，这样的晶格中的原子能像在晶体内移动的电子一样从一个点跃迁至下一个点。

超导现象只是材料内的电子所处的一种量子态或“相”（phase）的范例。实验人员在近期已经用费米原子晶格（费米子晶格）再现了一些其他相。在铜酸盐电子态的相图中，观察到的费米子晶格相位与超导现象的相位相似，导致一些专家预计即将能观察到高温超导状态。由于观察、冷却和理论描述费米子晶格的工具的快速发展，上述进展在最近几年得以实现。冷原子晶格领域的先驱、哈佛大学的马库斯·格雷纳（Markus Greiner）说道：“我们有希望生成这样的相，让凝聚态物理学家激动；但现在，我们第一次真正在实验中实现这些相。”

用量子气体显微镜使费米原子成像。这台设备允许对晶格内的单个原子进行排列和成像，以及探测原子的自旋

量子气体显微镜

在研究冷费米子晶格上，最初的一块绊脚石是科学家无法让原子单独成像，而这是在单个原子层面上研究原子如何排列和相互作用的关键要求。量子气体显微镜（QGM）在2009年的问世改变了局面，尽管一直到2015年，研究人员才首次采用这种技术让费米子成像。（在那之前，他们仅捕捉到玻色子的画面，那是另一类量子粒子。）

在QGM实验中，首先由一个磁光阱将一团原子限制于一个狭小空间，再用标准技术将空间内的气体降温到纳开尔文（10亿分之一度）的温度。光学晶格投射到原子团上，接着按照周期性样式将原子俘获和排列。为了探查这种量子态，QGM采用高能物镜来收集原子发出的荧光。

普林斯顿大学的瓦西姆·贝克尔（Waseem Bakr）说：“你可以查看晶格内的单个位置，使每个位置包含的原子成像，并侦测原子的自旋。”他帮助建造了第一台QGM。贝克尔将这项技术比拟为扫描隧道显微镜（STM），后者在原子层面上使固体材料成像，虽然他争辩说QGM有更好的性能。“通过STM，你必须逐个原子扫描材料，但用量子气体显微镜，你对晶系进行快照，记录下某个时刻的整个晶格。”

费米-赫巴德模型

为了解读从QGM获得的图像，物理学家采用所谓的费米-赫巴德模型（Fermi-Hubbard model），它是关于晶格内费米子相互作用的最简单模型。尽管它很简单，科研人员期待模型描述的理想化材料会展现包括超导现象在内的若干电子相，于是他们努力去弄懂这个模型和它的预测。在麻省理工学院进行冷原子实验的马丁·茨维莱因（Martin Zwierlein）说，尽管仍然未得到证实，但许多人相信，费米-赫巴德模型准确描述了铜酸盐中相互作用的电子。在模型中，费米子能在二维的方晶格中排列的位置之间跃迁。在铜酸盐中，铜原子和氧原子形成相似的二维晶格，而三维结构是这些二维层和含有其他元素的二维层交替叠加而成。电子通过氧键在铜离子之间移动。

对于二维晶格，当每个晶格格位中只有一个原子时，或者当温度“很高”（ 远高于超导相所要求的温度）时，理论家能以数值方式解决费米-赫巴德模型（通过计算机仿真）。否则，模型在很大程度上是难解的，尽管理论家在近期取得了一些进展。说出这番话的是英国斯特拉斯克莱德大学的安德鲁·戴利（Andrew Daley），研究超冷量子气体的理论物理学家。另一方面，戴利说，实验没有计算机那样的限制，一旦攻克实验的挑战，超冷费米子晶格是“模拟”和探索费米-赫巴德模型预测的相的理想方式。这种观点获得了哈佛大学与格雷纳一起工作的克里斯蒂·邱（Christie Chiu）的附和。“如果你想要以实验方式用冷原子模拟铜酸盐材料，那么费米-赫巴德模型是你的基础。”她说道。

直到最近，实验都还局限于研究莫特绝缘体之类的相，莫特绝缘体存在的温度高于难以捉摸的超导体的温度。两年前，格雷纳、邱与同事一起用QGM生成反铁磁体，并令其成像。在反铁磁体相中，每个晶格格位被一个原子占据，相邻原子的自旋指向相反方向。贝克尔说：“粗略地说，假如你拍下原子的快照，你会看见自旋呈现棋盘的次序。”差不多在同时，其他研究者完成了对反铁磁体相的相似验证，尽管是以更少的原子数量。

数月前，巴克尔和他的团队观测到另一个相：奇异金属相，这个神秘的金属相具有很差的电导率。研究者也开始“掺杂”实验，在反铁磁体中生成空的晶格格位，也就是“电洞”。生成电洞能允许他们探究所谓的赝能隙相，这个相与材料中电子间的相似孔洞有关。

假如你绘制下温度对应于费米子（或电洞）密度的图表，作为铜酸盐的相图，那么反铁磁体相、奇异金属相和赝能隙相都毗邻超导相。对费米子晶格中部分相的观察已经促使研究人员期望下一步将会识别出超导相。来自加拿大阿尔伯塔大学的林赛·勒布朗（Lindsay LeBlanc）做过超冷原子实验，她说道：“这些相被认为是铜酸盐高温超导现象的先兆。”

电洞浓度为零意味着每个晶格格位都有一个电子，而材料是反铁磁体。随着原子被移除，结构中产生电洞，晶系转变成赝能隙状态，然后变成“奇异”金属（与电子有关的传导性很差的金属相）。假如在恰当的电洞浓度下，材料的温度降低，它会转变成超导体

用量子气体显微镜生成费米反铁磁体并令其成像

实验在2018年取得“巨大进步”，科罗拉多大学实验天体物理学联合研究所（JILA）的冷原子理论专家安娜·玛丽亚·雷（Ana Maria Rey）如此说道。她表示，实验距离实现高温超导体“十分近”，最多只差一两年。格雷纳赞同道：“假如存在这样的相，那么我们获得它只是时间问题。”

没有适合费米子的冰桶

近期取得的进展很大程度上源自于研究者为了让费米子晶格冷却到更低温度而玩的花招。这些实验中的温度通常都降至几十纳开尔文，但即使在这样寒冷的条件下，原子仍然有显著的热能。有着类似能量的电子会在大约1 000K的温度，大大高于超导现象出现所需的温度。勒布朗说：“相对意义下，这些超冷实验并不是那么冷。让东西变冷总是很困难，你必须将那些能量和熵转移到某个地方，在我们工作的实验室，使这些孤立的冷原子系统变冷越来越困难。”

传统上，让物体降温的方法是让它们接触到更冷的物体，后者扮演散热片的角色，吸走物体的能量。对于多伦多大学的费米子晶格研究者约瑟夫·蒂维森（Joseph Thywissen）而言，这种冷却方法的常用范例是冰桶内的一瓶香槟，冰块在此充当了散热片。他说道：“但是，我们没有这样的冰桶，使一团原子从10纳开尔文降温到2纳开尔文。”相应地，科研人员尝试了其他方法。

对于格雷纳的团队来说，诀窍是把原子降温到足够的程度，使反铁磁相参与晶格内能量的重新分配，外侧边缘的原子充当散热片。通过这种做法，降低了晶格中心的原子能量，比之前最好情况好上两倍多。其他研究团队尝试相关的做法来分配能量，但尚未见到进一步的降温。

密歇根大学的凝聚态理论专家伊曼纽尔·古尔（Emanuel Gull）说，在过去10年里，“实验所能达到的温度一直在取得巨大进步”。然而，对于费米子晶格将证明有助于模拟和理解高温超导体，他仍然持怀疑态度。他说：“到目前为止，这些实验都没有达到让我们能回答关于铜酸盐疑问的高度，因为实验的温度仍然太高。”

大多数专家都同意，要让实验达到超导相，温度需要下降到目前的1/5。尽管哈佛大学的实验专家邱承认，“我们其实并不知道我们需要把温度降到多低。”但是，即使没有实现这个神秘的相，目前为止，在观察的相的实验进展，使得研究人员进入计算机仿真无法触及的新高度，这有可能让科研人员发现物质的新行为。格雷纳说：“我们首次拥有这种量子乐高（积木组），我们能真正修补它们，并建造新东西。”

观察超导体只是个开始

量子乐高积木组的可能性让许多人激动，其中包括戴利和其他开始用费米子晶格来研究材料性质的学者。他说：“当我们开始时，实验都是关于试图再现凝聚态理论专家已经在思索的那些相。现在有些认真严肃的尝试，是在光学晶格和其他冷原子系统中使用费米子，作为材料学的模拟装置，这已经超越构想过的凝聚态问题。”古尔认为，费米子晶格的潜在益处在于研究动态问题，观察随着时间而演变的晶格状态。他说：“动态的东西是数值方法无法探查的，我们手头没有这样的工具。但那是我们能真正大展拳脚的领域。”

让原子晶格降温到纳开尔文温度类似于将香槟酒在冰桶内冰镇，但挑战性大得多

然而，对于许多人来说，实现冷原子超导体依旧是终极目标，至少就目前而言。但是，即使他们达成目标，科研人员依然需要更长时间，揭开铜酸盐的高温超导性质的长久谜团。蒂维森说：“模拟和弄懂不是一码事，假如我们用冷原子实现超导体，那么我们需要设计具体的实验，提出小心选择的问题，以便解开所观察到的现象背后的物理机制。”模拟高温超导体“不是故事的结局，只是开始”。