作者:唐一尘 来源:科学网 www.sciencenet.cn 发布时间:2017/10/30 21:54:34
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量子先锋解码物质之谜
物理学家点燃量子波动变相研究革命

Gilbert Lonzarich    图片来源:Brian David Stevens

 

1989年,视网膜脱落手术后,Gilbert Lonzarich失明了一个月。没有恐惧或沮丧,这位英国剑桥大学凝聚态物理学家抓住了这次“机会”,邀请学生到家里,分享自己如何适应失明生活的体验。

Lonzarich的一名学生、德国马普学会固体化学物理研究所所长Andrew Mackenzie回忆道,Lonzarich对这一经历的反应完美地“捕捉”了他的生活方式。“Gil是我见过的最积极的人之一。他对一切都感兴趣。”他说。

40多年来,这种乐观和好奇心让Lonzarich以一种从未想过的方式探索材料。在20世纪90年代的开创性实验中,他的研究小组证明,将磁化合物推到极限压力下,并接近绝对零度,可以使其中一些导电且没有电阻。

这是在向传统惯例悍然宣战,人们一直认为宣称磁性和超导性永远不会混合在一起。Lonzarich的同事、剑桥大学的Malte Grosche说:“这在当时就像你现在谈论发现外星人一样。”

这项工作向物理学家们展示了一种寻找超导体的新方法。超导体是核磁共振成像器和粒子加速器等技术的核心。近年来,它为有些材料在温度远高于绝对零度下仍是超导体的原因提供了可能的解释,这将为开发高效、廉价的室温超导设备铺平道路。

但是这些实验的影响远远超出了超导性。Lonzarich将材料置于极端条件的方法已经成为发现新物质状态的一般方法。在世界范围内,物理学家现在使用这种方法探测一系列电子的集体相互作用可以导致不同寻常行为的材料。而其中一些现象可能会对计算机产生革命性影响。

Lonzarich的研究在其领域中可能是传奇,但这位物理学家的谦逊和慷慨令人尊敬。认识他的人都知道,Lonzarich是“不知道时间”的人,与他的随意交谈很容易变成1小时的物理、哲学、政治和历史遨游。

“很可能会错过午饭。”剑桥大学同事Michael Sutherland说,“但这可能是你一周中最有效率的几个小时。”

现年72岁的Lonzarich现在在剑桥量子物质集团有一份兼职工作,但他仍在通过将材料推向更大的极端以获得新发现。他认为这个很少被探索的领域,就像对粒子对撞机的高能实验一样,能解开物理定律,并期望有更多发现。“Gil从来没觉得我们现在只是在填写细节。”美国新泽西州罗格斯大学理论物理学家Piers Coleman说,“他把对量子物质的探索视为一个真正的前沿。”

赞美集体

在剑桥大学三一学院,Lonzarich热情洋溢地谈到了同事们令人印象深刻的工作,但当谈话转向他自己的成就时,Lonzarich变得沉默寡言。他说,人类的天性就是赞美英雄,但科学是一种集体活动,挑出一个人来赞美会扼杀一个团队。

尽管同事们很快就强调了Lonzarich的影响力,但他从不这样想,这种做法可以追溯到在伊斯特拉半岛长大的意大利父母。他回忆说,父亲告诉他“要把大块馅饼切给别人吃”。

他的家人在他9岁时搬到了美国。到了20世纪60年代,Lonzarich已经成长为一个勤奋好学的年轻人。他对物理学的兴趣始于加州大学伯克利分校,在那里他获得了文科学位,但也遇到了Gerie Simmons,并在1967年结婚。

“我偶然看到过他那些日子的照片,他留着长发,是一个物理嬉皮士。”Coleman说。但Lonzarich强烈认为人们应该挑战政府,并对自由使用毒品和抛弃家庭感到失望。“我希望能做些实实在在的事情,好好生活。”他说。

Lonzarich夫妇在明尼苏达大学度过了一段时间后,离开了美国,来到加拿大不列颠哥伦比亚大学。在凝聚态物理学家Andrew Gold的新实验室里攻读博士学位时,Lonzarich迷上了磁力。1976年,当他去剑桥大学工作时,他发现了自己的新“大陆”。这里的学院没有等级制度,却有两为凝聚态物理大师——Brian Pippard和David Shoenberg。

Lonzarich想要研究磁体。他的方法起初引起了一些关注:他发明了自己的数学符号,并需要花数周准备实验,但看起来似乎什么也没做。但他的方法很快就开始奏效了。

1994年,Lonzarich发表论文描述了一类新的超导体,并提供了一个路线图寻找其他超导材料。今天,物理学家仍按该方法将磁性材料的相变推到绝对零度,以观察超导行为是否会出现。

新“王国”

量子临界点以及围绕它发生的强量子相互作用,可以产生其他奇异的状态,不仅仅是超导性。剑桥大学物理学家Stephen Rowley说:“这就像是发现物质新状态的滋生地。”现在,世界各地的物理学家都在操纵一系列不同的因素——压力、磁场和化学成分——推动相变超更低的温度发展,从而达到量子临界点。

20世纪90年代末,这种方法让Lonzarich和当时的学生Christian Pfleiderer发现了硅化锰材料的奇怪行为。过去几年的实验已经暗示,这可能与旋转的二维磁涡旋有关,也就是所谓的“斯格明子”,现在被吹捧为一种超级高效的存储信息方式。

通过探测氧化锶的量子临界点,2007年Mackenzie团队证实了物质存在一个新阶段,在这个阶段中,电子会流动,但仍然显示出有序的空间结构。

同事们常说,Lonzarich是独一无二的,他不仅是一个优秀的理论家,也是一个杰出的实验者。Lonzarich将样本增加到极端的纯度,并开创了一种名为量子振荡的技术,这使物理学家能确定复杂、相互作用的系统的电子结构。

剑桥大学卡文迪什实验室高压研究室负责人Patricia Alireza表示,Lonzarich经常鼓励她创造能把样本压缩得远远超出人们想象的设备。她说:“Gil会微笑着说,我认为我们可能做得会比这好100倍。”

Lonzarich的许多学生在物理学上不断前进。例如,Suchitra Sebastian说,如果没有他的建议,她可能会离开这个领域。“他不仅仅在教你们如何做物理,还包括如何在物理世界中生存。”

而Lonzarich谦虚地说,他不认为自己对学生的成功有多大贡献,他只是和其他人一样教课。

Rowley说,他总是给人们的一个东西就是时间。Pines补充道,这有助于他摆脱不必要的官僚主义。“他有很多不同的办公室,所以他总是可以躲在其中一个办公室里。”

但Lonzarich能自由地思考在很大程度上依赖妻子Gerie的支持。她确保拨款申请按时提交,保证他赶上航班。他说妻子就像太阳一样:“这么大,而且很重要,甚至有时你会忘记这是一切所在的根源。”

寻找新边界

在过去几年里,Lonzarich关于超导和磁性之间密切联系的想法获得了新的意义。物理学家使用BCS理论解释了传统的超导性。这个理论认为,一个电子在某些材料中加速,会在原子晶格后面产生一个带正电的扭曲。这就吸引了第二个电子。如果这些相对稳定的“库珀配对”形式足够多,它们就形成了一个有序的状态,在这个状态下,两个电子保持在一条航道,并无阻力地流动。

但这不能解释铜氧化物和铁基半导体。这两类超导体可以在温度高达133开尔文下无阻导电。如果这样的转变可以提高到室温——大约300开尔文,这些超导体就可以用于更便宜的能源、医疗成像和运输设备。但是关于它们如何工作的争论已经持续了30年。

一开始,就有阵营认为,磁场的相互作用可以使电子结合在一起,从而在铜氧化物中产生超导性。Lonzarich推测,这种磁性胶可能来自于在反铁磁性物质量子临界点周围增加的量子波动。

这一想法在被人们热烈讨论,并在去年Taillefer团队进行的实验中获得了一些支持证据。该小组发现,用强大的磁场剥离铜酸盐的超导性,并增加不断增加的杂质含量,会出现一个急剧的相变——另一个隐藏的量子临界点。

Lonzarich说,宇宙比大多数科学家所认为的更富有。每一个新发现的物质状态只有在条件合适时才会出现,而物质是完全纯净的。Lonzarich推测,探索这些状态的边界可能会揭示更多相位。“如果每一个量子临界点仅仅是另一代的开始呢?”他说。(唐一尘编译)

 
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