和中学生朋友谈超导(4)

在本系列的前三篇文章中(htsc-ruc:和中学生朋友谈超导(1)htsc-ruc:和中学生朋友谈超导(2)htsc-ruc:和中学生朋友谈超导(3)),我介绍了超导的基本原理,研究意义以及研究现状与挑战。本篇文章介绍超导研究的基本手段。这篇文章也可以看作是对现代凝聚态物理研究一般方法的介绍。

超导研究一般采用如下四类手段。在许多实际研究中,人们通常会结合不止一种手段。这四种手段是:

1)新的超导材料的实验探索以及高质量超导样品的制备,尤其是高质量单晶样品的制备。如果把前者比作炒菜,那么后者更像是绣花。这既是创造新的超导临界温度记录的必要途径,也是开展深入的超导机理实验研究的基础。近年来,超导新材料的探索开始逐渐摆脱主要依赖实验者个人经验的既有模式,更多地与材料物性的计算机模拟以及材料数据库的大数据搜索结合。同时,为了讨论超导机理,人们开始更多地关注在精确控制的条件下生长的人工材料的超导特性。

2)超导材料物理性质的实验研究。人们主要关注体系的热力学行为,输运行为以及各种电子能谱行为。其中,各种电子能谱由于其提供的信息直接反映体系中电子运动的微观特征,对于超导机理的研究格外有用。几种常用的电子能谱手段包括角分辨光电子能谱(ARPES),非弹性中子散射谱(INS),核磁共振谱(NMR),扫描隧道显微谱(STM),光电导谱(Optical conductivity),共振非弹性X-射线散射谱(RIXS)等等,它们的原理和作用简介如下

-- 角分辨光电子能谱(ARPES):利用光电效应测量材料中电子能量随动量的变化。当电子运动存在强关联效应时,单个电子并不具有确切的能量。由此我们可以想象,具有强的电子关联效应的高温超导体的角分辨光电子能谱一定包含丰富的结构,蕴含丰富的相互作用信息。

-- 非弹性中子散射谱(INS):利用中子得布罗意波的衍射效应测量材料中原子或者磁矩的动态涨落。对于高温超导体的研究来说我们更加关心磁性涨落,因为强烈的磁性涨落是电子强关联效应的直接体现。在包括铜氧化物高温超导体在内的大量非常规超导体中,磁性涨落被普遍认为是导致超导的核心要素。

-- 核磁共振谱(NMR): 利用核磁矩能级间的量子跃迁探测原子周围的磁性涨落行为。在某种程度上,核磁共振谱可以看作是非弹性中子散射谱的实空间版本,因为它可以直接分辨不同原子位置上磁性涨落的差异,但是核磁共振谱测量的能量范围比非弹性中子散射小得多。

-- 扫描隧道显微谱(STM):利用量子隧穿效应探测扫描探针周围的电子能态密度分布。和核磁共振谱类似,扫描隧道显微谱可以看作是角分辨光电子能谱的实空间版本。但是扫描隧道显微谱测量的能量范围并不受限制,而且可以同时测量占据态和非占据态的电子态密度。后者是角分辨光电子能谱做不到的。

-- 光电导谱(Optical conductivity): 利用从微波一直到可见光频段的光的反射或吸收测量材料中的电荷动力学行为(以及晶格动力学行为)。光电导谱对于强关联电子系统的研究非常重要,这是因为在强关联电子系统中,由于电子相互作用和晶格效应,电子的动量与电子携带的电流不再直接相关。因此,尽管电子体系的总动量守恒,但是光所激发的电流却可以有复杂的动力学行为。另外,从光电导谱的积分还可以直接得到体系中电子总动能的信息。

-- 共振非弹性X-射线散射谱(RIXS): 利用光在材料上的非弹性散射测量材料中的各种集体运动模式的能量随动量的变化。这是凝聚态物理研究中一个新兴的测量手段,因为光可以与材料中的多种自由度耦合,例如磁性,电荷,晶格,轨道自由度等等。因此材料的RIXS能谱中同时包含了材料中多种自由度的信息。这既是有利的一面(当几种自由度高度纠缠时),同时也使信号的理论分析变得复杂。

需要说明的是,以上这些电子能谱方法几乎无一例外都是在高温超导研究需求的驱动下得到发展和完善的。它们现在已经成为凝聚态物理研究的通用手段。

3)超导材料物性的计算机模拟。这种模拟通常是在能带理论框架下,通过成熟的商业软件完成的。随着计算机运算能力的提高,尤其是超级计算机的普遍应用,这一手段逐渐成为发现新的超导材料和研究超导机理的重要方法。人们既可以通过对潜在的超导材料的计算机模拟向材料学家提出制备建议,也可以通过对已知的超导材料的计算机模拟为进一步的微观理论建模提供关键信息。更加确切地说,对于一个复杂的材料体系,我们必须首先通过初步处理,从体系众多的自由度中筛选出对于体系的低能物理行为起关键作用的少数自由度。这个筛选过程在定量上并不需要很精确,但是通常是必要的。

4)超导机理的理论研究。这里的理论研究有两种模式,即所谓的唯象理论研究和微观理论研究。唯象理论的作用是从低能有效模型出发对实验结果进行分析拟合,或者反过来从实验结果中抽象出低能有效模型。微观理论的作用是从微观相互作用模型出发,通过解析或数值的方法研究其在长波低能极限下物理行为,从而导出低能有效模型。超导机理理论研究的终极目的是通过低能有效模型这一桥梁,建立实验现象和微观相互作用过程的逻辑联系。由此可以看出,对于超导理论研究来说,不仅数理解析能力很重要,从实验结果中发现关键线索的能力以及编程数值计算的能力也都很重要。在上一篇文章里,我们已经提到,由于高温超导研究的刺激,最近三十年里量子多体计算领域发生了革命性的变化。

一个人的精力当然不可能精通所有的研究手段。在这个时代,合作是科学研究的常态。研究手段的选择因人而异,并无高下之分,明确要回答什么物理问题才是最重要的。保持对不同研究手段的基本了解有助于从不同视角发现复杂现象背后的隐秘线索。

在本系列的下一篇文章,也就是最后一篇文章中,我将介绍从事超导研究所需要的基本知识和能力储备。

本系列文章的链接如下

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注:本系列文章是在我的科学网博客文章(在人大物理系研究超导 --- 致中学生朋友的一封信)的基础上重新扩展写作的,将对该博文所涉及内容进行更加深入的讨论。从这个意义上说,上述博文可以看成是本系列文章的长版摘要。

编辑于 07-26