王亞愚：從絕緣陶瓷到高溫超導
超導現象是一個極爲美妙、極爲深刻的物理現象，超導研究的每次突破，對人類未來發展的意義都是難以估量的。尋找高溫乃至室溫超導體是科學家們孜孜以求的目標，其實現有可能對物理研究和人類文明產生深遠的影響。在2023青年科學家50²論壇上，清華大學物理系教授、新基石研究員、2019年“科學探索獎”數學物理學領域獲獎人王亞愚簡要介紹了超導物理的發展歷程、美妙的超導性質、超導體的可能應用、超導現象的微觀機理、以及目前依然有待解決的高溫超導之謎。
*以下文字根據錄音整理，未經報告嘉賓審閱
什麼是真正的超導
超導現象已經有100多年的歷史，是1911年荷蘭物理學家Onnes等發現，汞這種液態金屬，到了-269℃進入零電阻狀態，可以被稱爲超級導電體，也就是超導體。1933年，德國物理學家Matthias等發現弱磁場下，超導體幾乎“排斥”掉所有的磁通，稱爲邁斯納效應。這是超導體特徵的兩種行爲，也是超導應用的來源。
我們可以想象，一個零電阻、有磁懸浮的物體可以產生的應用。比如沒有損耗的輸電、超導電子學器件、超導量子計算、超導強磁鐵、超導磁懸浮列車等。目前沒有看到大範圍的應用，因爲超導體通常只在極低溫纔可以出現。一些在特殊領域的超導應用有超導磁鐵用在覈磁共振中、全超導託卡馬克、超導量子計算系統以及超導電纜和超導磁懸浮列車等。
爲什麼會有超導現象？金屬導電現象靠自由電子的運動，運動總會受到散射，產生電阻，從而通過電流後會發熱。而超導體到了極低溫，它沒有電阻還有磁懸浮，這是物理史上最艱深、也是最有趣的問題之一。很多大科學家包括愛因斯坦、楊振寧、費曼等都研究過這個問題，但都一籌莫展。甚至有超導現象第一定理：“Every theory of superconductivity is false”（關於超導的任何理論都是錯的）。
這個困擾了大家40多年的問題，在1957年，三位物理學家BCS完美解釋了超導體。基本圖像是，一般金屬的導電靠單個電子；在超導體中，BCS提出導電靠兩個電子形成的庫珀對。帶負電的電子與帶正電荷的晶格產生吸引作用，這樣的兩組間接地形成庫珀對。這是一種非常微弱的配對機制，因此超導態僅在極低溫才存在，到高溫就會被破壞掉。
尋找高溫超導體
尋找高溫超導體是大家一直關注的問題。這個問題非常之難，從1911年到1973年這60多年間，超導轉變溫度僅從-270℃上升到-250℃。大家的最終目標是找到室內超導體，退而求其次是希望找到液氮溫區超導體。因爲液氮很便宜，如果有液氮溫區的超導體，就可以產生很多的應用。但到20世紀70年代，距離這個目標還非常之遠。在這個過程當中，科學家Matthias，也是迄今爲止發現超導體最多的人，總結出找好的超導體的定律：
1）高晶格對稱性越方越好，電子態密度峰越尖銳越好；
2）遠離絕緣體、遠離磁體、遠離氧化物；
3）遠離理論物理學家。
重大的突破是不期而遇的。1986年，兩位不是很知名的非超導領域研究人員發現了一種氧化物陶瓷材料——鑭鋇銅氧，其中有30K的超導體。這爲全世界的科學家提供了新的思路，去氧化物中找高溫超導體。
1987年初，華裔科學家吳茂坤、朱經武、趙忠賢等獨立發現了一個新的超導體——釔鋇銅氧。這是人類歷史上第一個液氮溫區超導體，是具有93K轉變溫度的高溫超導體。這個超導體的發現，令全世界的物理學家進入了狂熱狀態。
高溫超導體這些氧化物材料完美地違背了Matthias的所有規律。實際上，過去的20多年，所有的新型高溫超導材料都是非超導領域專家發現的。薛其坤老師就是很的例子，他的背景是半導體表面物理，他把該領域的方法、思路帶到高溫超導研究中，發現了非常重要的超導體——界面高溫超導。高溫超導材料的未來也許靠大家在材料科學、化學、工程科學、生命科學的科學家們給我們帶來新的啓示。
釔鋇銅氧是典型的黑色陶瓷材料，又硬又脆。陶瓷一般是絕緣體，爲什麼釔鋇銅氧成爲了最好的超導體，這是目前凝聚態理論方面最有挑戰性的科學問題之一。凝聚態物理領域泰山北斗級的科學家Philip W. Anderson對此做出了巨大貢獻，他在高溫超導出現不久就提出了共振價鍵的理論（Resonating Valence Bond，RVB）。基本出發點是高溫超導體的母體是一種絕緣的氧化物陶瓷材料——莫特絕緣體，超導的產生是通過摻雜電核進入導電態再進入超導態。這完全不能用BCS理論描述，其中發生重要作用的是電子之間自旋的磁相互作用。
電子帶有自旋和磁距，兩個小磁條可以形成非常強的吸引效應，所以Anderson認爲，絕緣陶瓷中，電子的磁相互作用提供了非常強的配對相互作用，因此可以產生高溫超導態。
這種絕緣陶瓷叫莫特絕緣體。它的母體，從化學領域來看，是每個銅上面有一個電子；對物理學家來說，是一個金屬，一個電子可以跳到下一個格點再跳到下一個格點，產生導電。莫特認爲，當把兩個電子放到一個格點時，他們有強烈的排斥，需要太多能量，所以電子決定躺平，每個電子在一個格點上，因此成爲一個絕緣體。Anderson說如果其中摻入空穴，拿走一些電子，這時就有空位產生，電子可以繼續跑來跑去，從而可以成爲導體。而且Anderson有一個全新的觀點來看母體中電子自旋的排布，已經是天然配成一對一對的，只要讓它們跑起來就可以進入超導態。
當然，把這麼直觀漂亮的觀點細化成物理理論很難。因爲即使描述一個空穴的運動，它一跑起來會擾動所有電子自旋的背景，這在量子力學上是極難描述的。所以現在很多物理學家只研究單個空穴的運動，已經非常之難了，怎麼配對超導仍然是未解之謎。
從原子尺度觀察高溫超導體結構
我的研究組10年前在清華建立掃描隧道顯微鏡（STM）實驗室，可以從原子尺度看到高溫超導體的結構和電子結構。我們第一次得到了母體——絕緣陶瓷的晶格結構。從中得到的最重要的信息就是能隙的大小，它怎麼傳遞給高溫超導態，是我們想理解的問題。
高溫超導有一個非常重要的經驗規律，當一個材料中銅氧面的層數從一遞增到三的時候，超導性質急劇上升。所以過去我們花了10年的時間，找到了五個高溫超導體的母體，來測量他們的能隙大小。我們看到能隙跟超導轉變溫度之間有一個反關聯。這個反關聯的來源就是量子力學的簡單理論，能隙越小，反體自關聯越強，因此對Anderson的理論提供了非常強的支撐。
我們的工作只有五個數據點，結構到三層。從去年開始，我們與清華大學的朱靜院士合作。朱老師把他最擅長的技術——STEM-EELS（掃描透射電鏡）用於高溫超導研究，可以看到四層至九層的材料。我從來沒有想過我們可能看到有九層結構的高溫超導。在這個工作當中，把我們來從一至三層的規律推展到六層，依然成立，這對高溫超導的機理提供了非常強的支持啓示作用。
最近，我們團隊剛剛提出了一個新的高溫超導圖像，叫“分子軌道”圖像。目前有兩類高溫超導機理，一個叫RVB，完全來自於局域；一個是BCS，完全來自於巡遊的電子能帶。我們認爲摻雜的絕緣陶瓷，正好處於二者當中。量子化學領域有非常成功的一套理論，叫分子軌道，而它從來沒有應用到強關聯高溫超導的研究中。所以我們提出一種全新的機理，叫摻雜分子軌道超導態。我們發現低能電子態像一個一個條紋，高能電子態像一個一個的梯子。我們聯想到在量子化學領域，一些分子形成的成鍵軌道，它們就是一個一個條紋，而它們的反鍵軌道就是一個一個的梯子。在兩個不同學科之間，通過實驗數據建立了聯繫，我們相信把其他學科已經成熟的方法、思路帶到高溫超導研究中，也許可以帶來新的啓示。
高溫超導研究已有超過百年的歷史，有一系列激動人心的發現，有14位諾貝爾獎得主。它既是凝聚態物理值得驕傲的成就，也有目前最大的挑戰。有人認爲高溫超導的問題已經解決了，有人認爲這個問題如此之難，人類永遠無法解決，還有人認爲高溫超導根本沒有值得解決的問題，所有的現象以前都見過，只是定量的提高而已。
展望未來，我們有可能發現室溫超導體嗎？也許永遠不會，也許就在今天晚上。雖然高溫超導研究的未來充滿未知，但一定會不斷給我們帶來新的驚喜和挑戰。謝謝大家。