诺贝尔奖的热门候补,日本发现“准晶体超导”

其他 2018年03月26日

--名古屋大学、丰田工业大学、东北大学、丰田理化学研究所等取得重大成果

2018年3月6日 伊东乾

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广泛应用于各个方面的超电导。图为位于德国西部城市格拉夫斯瓦尔德的马克斯-普朗克等离子体物理研究所的核融合设备“文德尔施泰因7-X”,其中就使用了超导磁铁。(c)AFP/DPA/STEFAN SAUER 〔AFPBB News〕

2018年1月11日,科学杂志《Nature communications》上发表了一篇论文。论文题为“Discovery of Superconductivity in Quasicrystal”,翻译成中文就是“准晶体中的超导状态”。

这是人类史上具有重大价值的发现,由名古屋大学、丰田工业大学、东北大学、丰田理化学研究所等研究团体共同取得。这一成果未来获得诺贝尔奖的概率相当大,但各大媒体并没有太多报道。

这也许是因为新闻编辑对这一成果的重大意义还不够理解,所以本文希望能够为大家简单介绍一下“准晶体超导”究竟厉害在什么地方。

什么是准晶体?

首先,我们从“准晶体(Quasicrystal)”是什么开始。在电脑上输入日文“准晶体”时,显示的往往是“半决赛”(日文中两个词的读音相同)。由此也可见,人们对“准晶体”这一物质还处于不甚了解的状态。

从原子、分子层面上看晶体的话,可以防线晶体的结构就像公园里的爬梯一样排列有序。

这样的“晶体”具有“平移对称性”的特性。举一个简单易懂的例子,请看荷兰版画家莫里茨·科内利斯·埃舍尔((Maurits Cornelis Escher)的作品。

例如这幅“鸟的平面规则分割”(Regular Division of the Plane with Birds)[网址],就如同用瓷砖将地面或墙壁铺满一样,2次元平面被完全填充。

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如果将图中一部分剪切出来向另外的部分平行移动的话,两部分可以完全重合,这一特征被称为“平移对称性”。

此外,有一种与这一填充形式不同的平面或空间填充形式,平行移动后绝对不会重合。例如,伊斯兰教清真寺,可以看到采用华丽的几何图形瓷砖镶嵌出来的墙壁。

再来看以下几个例子。

例如这种被称作“Girih”[网址]。伊斯兰花纹的英文维基百科中,介绍了铺满尖塔屋顶的曲面形式。

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还有例如这种形式。[网址]

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还有英国物理学家罗杰·潘洛斯(Roger Penrose)以数学形式整理的马赛克几何学图形[网址]。罗杰·彭罗斯于1974年发现并发布了一种模式:将两种菱形组合铺满整个空间,通过平移也绝对不会重合。

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这一填充模式被称作“彭罗斯贴砖”,以两种砖片非周期性铺满整个平面这一特殊的几何学构造而受到人们注目。

彭罗斯和埃舍尔关系很好,埃舍尔发表了在彭罗斯发现的这一数理构造启发下而创作的作品,遗憾的是这位版画家于1972年去世,“彭罗斯贴砖”的作品没有留存下来。

但是,在被称作“圆形极限”的这组作品中[网址],圆形的内部不断填充相似的图案,可以看出,这与伊斯兰的马赛克似乎同源,还与之后的分形几何学有关,与“彭罗斯贴砖”的构思非常相似。

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这种填充模式是以几何学为对象,即便在清真寺建筑的贴砖中能够找到,但自然界却没有稳定存在的这种结构的物质。

荣获诺贝尔奖的“准晶体”

彭罗斯的几何学发表8年后的1982年,以色列科学家丹尼尔·舍特曼在华盛顿休假时,发现快速冷却铝锰合金的话,与普通晶体不同,会形成与“彭罗斯贴砖”同样不具有平移对称性的晶体构造的物质形态。

这种构造的晶体虽然并不是完全周期性的,但是能够填充整个空间,这一物质构造的形式被命名为“准周期性(quasi-periodicity)”,这样的晶体被称为“准晶体(Quasi crystal)”。

当时,准晶体在加热情况下并不稳定,一旦“退火”就会返回到普通的晶体状态。还在东北大学金属材料研究所留学的硕士研究生蔡安邦(现在为教授)发现了具有热稳定性的准晶体。

自然界中虽然不存在平移对称性,但却存在拥有高度有序的、与伊斯兰清真寺的贴砖相似构造的物质。

丹尼尔·舍特曼因发表了论文“准晶体的发现”,并于2011年单独获得了诺贝尔化学奖。

他发现了一直以来不为人知的、全新的稳定物质形态,凭此重大成果获得诺贝尔奖,这是完全合理的。

同时,笔者个人认为,毫无疑问应被提名为共同获奖候补者的蔡教授,同样也有获得诺贝尔奖的资格。

准晶体的超导是怎样被发现的?

名古屋大学的成果是,发现了与“伊斯兰教清真寺贴砖”类似的、具有准周期构造的物质的“超导状态”。

镍铬合金丝比较好理解,金属导电的话就会发热。这种发热,即焦耳热,是因电子的流动与金属结晶的“晶格”相碰撞,发生振动而产生的。

超导现象是指,将金属降温至接近绝对零度时,电阻会突然消失,电会永久持续流动(永久电流),即所谓的“super”状态。

1911年,荷兰物理学家海克·卡末林·昂内斯(Heike Kamerlingh Onnes)通过水银等金属发现了这种现象,并于两年后的1913年获得诺贝尔物理学奖。

20世纪前半期,探究超导现象仍是理论物理学最大的难题之一,但1956年以约翰·巴丁(John Bardeen) 为代表的伊利诺伊大学理论小组提出模型,同年巴丁以其1948年在AT&T贝尔研究所开发的晶体管获得了他的第一个诺贝尔物理学奖。

之后,巴丁又与从普林斯顿大学招聘的助手库珀(“C”)和研究生施里弗(“S”)共同提出“BSC理论”,成功解释了现在标准的超导现象。

1972年,三人因“BCS理论”获得诺贝尔物理学奖(巴丁的第二个诺贝尔奖,他也是目前唯一一个获得2个诺贝尔物理学奖的科学家)。

而日本的理论物理学家中岛贞雄对巴丁的发现具有决定性影响。

中岛将东京教育大学教授朝永振一郎确立的“重正化理论”(获得1965年诺贝尔物理学奖)应用于固态晶体,进一步研究“电子-声子理论”。

偶然的机会,巴丁来日本时听了有关该理论的演讲,向中岛先生求得更为详细的论文,从而提出一个新的设想:金属晶体中的“电子”与 “声子”相互耦合作用。其中声子的金属晶格振动不是随机的热振动,而是符合量子力学秩序的。

通常情况下,与金属晶体碰撞后的电子如果下降至一定温度以下,就拥有如攀登架一样有序性,不会与“穿着声子外衣”的晶体晶格相碰撞,可以在晶体内顺利地进行量子力学传导。

这一设想的确立,已经过去了60年的岁月。

金属晶体产生超导状态是由于晶体晶格周期性产生出了“声子”的有序晶格振动,但名古屋大学等机构的研究,是人类史上的一大发现(个人认为),因为将超导现象扩展到了“准周期系”的准晶体,所以具有更重大的意义。

当然,准晶体比普通的晶体更为复杂,若不冷却到更低的温度,准晶体就不会发生超导转变。但是,若得到实验验证,物理研究的自由度将会大幅飞跃。

超导是自然界的本质现象

若电流流动,便会发热丧失能量···根据欧姆定律,19世纪以后人们逐渐相信这是毋庸置疑的。

到了19世纪后期,人们知道了电子、原子的存在,也知道了为什么即使电子在原子中运动,也能保持稳定,处于没有热损失的不可思议的状态。

从理论上解开这一谜底的是量子力学的出现(虽然海森伯、薛定谔、狄拉克分别于1932年和1933年获得诺贝尔物理学奖,但没有与之相衬的成果)。随着对超导性质认识的加深,人们发现实际上原子分子中量子力学性状态稳定时,自然可以超导,但当不再稳定,产生古典力学、宏观上的物质时,就会产生焦耳热等能量。

1962年,剑桥大学的硕士约瑟夫森从理论方面预言,当“两个不同的超导体”以薄绝缘层为界较近时,会根据各自的“波动系数”的“位相”产生特殊超导电流。

之后这一预言很快被证实,1973年他与江崎玲于奈、伊瓦尔·贾埃弗共同获得诺贝尔物理学奖。

30多年前,学习物理学的笔者,在以贾埃弗的论文和约瑟夫森结是以随机结合的金属微粒膜(Josephson Junction Network)的特殊性质为前提的几个实验中,有幸得到东京大学理学部物理学系的小林俊一研究室(感谢当时小森文夫助手的帮助)和低温中心大塚洋一研究室的帮助,硕士时期的论文基本是在老师的指导下完成的。研究课题与从中了解的量子力学本质虽使我一时狂热,却也经过了多年思考。

2005年“世界物理年”我在日本委员会担任干事时,也曾想过让中学生探讨此话题的策划。

具有局部周期性、但不具备全面平移对称性的“准晶体”到底是如何产生超导转变的呢?

最初我考虑的是,像约瑟夫森结的网络一样,局部的超导性电子在准周期性的结构中互相结合,当然我们不知道这是否合理。

“异超导状态”是互相结合,或者“超导状态本身”是“扭曲”存在的状态,开始考虑这些时感觉非常有趣。

假如逐渐缩小准晶体结构,形成由少数金属原子组成的系统,通过可在超低温下工作的扫描型隧道效应电子显微镜(STM)观察,便有望发现“变化的超导现象”的新本质。

30年前指导我毕业研究的小森老师现在在东京大学物性研究所担任副所长,他在超低温STM方面取得了很多重要成果。关于准晶体的超导性转换,笔者与东京大学物性研究所的朋友进行了一番讨论,现状是通过STM可到达的温度较高,直接让准晶体到达超导状态仍需要更多的技术和时间。

但是,反过来说,这又是在一定时间内可解决的问题,这种重新揭露自然本质的实验也是可行的。

坦率地讲,日本的基础研究变弱的批评、论文数是次要指标的热议风潮,我不是很喜欢,因为没有意义。

真正发现的事实本身才是重要的,鉴定这些事实真伪的“自然科学之眼”才是重要的。

“准晶体超导性转换”作为“来自日本的新诺贝尔奖候选研究”之一,我想应该署上东北大学蔡教授的名字。

蔡老师是曾在日本学习的台湾留学生,热稳定性准晶体这一物质也是他在日本发现的,所以他真的是为日本做出贡献的不可多得的研究者。

再次感谢以名古屋大学为首的研究成员的不懈努力,同时也想指出延续和培育这种真正发现事物本质的基础研究的重要性。

转载自Japan Business Press
原文(日语)

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