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近日，一篇發(fā)表在《自然·物理》上的論文表明：多種被稱為“銅氧化物”的材料中存在著一種普遍量子現(xiàn)象。在銅氧化物中的電子似乎會盡可能快地耗散能量，并且耗散過程明顯趨于一個基本的量子速度極限。而之前的研究（尤其是2013年《科學》雜志上的一篇論文）發(fā)現(xiàn)其他奇異超導(dǎo)化合物——釕酸鍶（Sr2RuO4）、氮族鹽類、四甲基四硫富瓦烯等——也會以似乎是最大允許速率耗散能量。

這使物理學家越來越相信，一種未知的組織原理支配著粒子的集體行為，并決定著它們?nèi)绾蝹鞑ツ芰亢托畔?。哈佛大學理論物理學家Subir Sachdev認為，理解這種組織原理可能是進入“量子奇異性最深處”的關(guān)鍵。引人注目的是，這個速度極限與一個量子力學的基本量、代表自然中能夠發(fā)生的最小可能作用量——普朗克常數(shù)的數(shù)值有關(guān)聯(lián)（普朗克常數(shù)在不久前被用來重新定義其“千克”）。進行了此次實驗的凝聚態(tài)物理學家Louis Taillefer說：”當你看到這個結(jié)果的時候，就知道自己正在觸及一些非常深刻和基本的東西?！?/p>

當銅氧化物和其他奇異化合物處于奇異金屬相時，會比傳統(tǒng)金屬更加強烈地阻礙電流流動，因而出現(xiàn)這種燃燒能量的行為。但是，當它們被冷卻到臨界溫度時，卻會轉(zhuǎn)變成完美的、不損耗電的超導(dǎo)體。32年來，物理學家一直試圖理解和控制超導(dǎo)電性這種強大的形式，而奇異金屬相中的電子行為越來越被視為其中的關(guān)鍵部分。電子在奇異金屬中的行為究竟是怎樣的？人們還不清楚，這真的是一個重大的謎團。但專家們猜測，電子或許會自組織為一種“最大混亂”的量子態(tài)，其中每一個電子的性質(zhì)依賴于其他每一個電子的性質(zhì)。這種最大混亂的狀態(tài)可能允許電子彼此散射，并在量子力學定律允許的范圍內(nèi)盡快傳播能量。

這種混亂的狀態(tài)是極端的量子奇異性。20世紀30年代時，愛因斯坦對兩個粒子糾纏在一起、即使相距很遠時其性質(zhì)仍然相互依賴的想法感到憤怒。然而，對于奇異金屬，有數(shù)百萬個電子糾纏，進而導(dǎo)致整個的物質(zhì)狀態(tài)，這真的是探索量子糾纏的前沿。理論物理學家Sean Hartnoll說：“這個實驗指向材料間一種驚人的普遍性，這將牽涉到量子力學和統(tǒng)計力學中一個深刻的想法?！卑l(fā)現(xiàn)這個深刻想法的努力已經(jīng)揭示出與黑洞、引力和量子信息論之間驚人的聯(lián)系。

奇異金屬

1986年，蘇黎世IBM研究中心的貝德諾斯（Georg Bednorz）和穆勒（Alex Müller）革命性地合成了第一種銅氧化物（LBCO，由鑭、鋇、銅、氧四種原子構(gòu)成），并發(fā)現(xiàn)了所謂的“高溫超導(dǎo)”——他們注意到新發(fā)現(xiàn)的晶體具有一些奇怪的性質(zhì)，當他們將銅氧化物冷卻到臨界溫度時，觀察到這種晶體的電阻隨溫度的降低線性地降低，因此繪圖時會形成一條向下的直線。對于傳統(tǒng)的材料，溫度和電阻的關(guān)系會形成更為復(fù)雜的曲線。

當時，這一觀察結(jié)果被一項更引人注目的結(jié)果所掩蓋——貝德諾斯和穆勒發(fā)現(xiàn)的銅氧化物的超導(dǎo)性有著比此前認為可能的更高的臨界溫度，這一發(fā)現(xiàn)迅速為他們贏得了諾貝爾物理學獎，并引發(fā)了對類似材料的熱烈探索。當時在貝爾實驗室工作的物理學家Joseph Orenstein說：“那是一個相當瘋狂的時代，整個領(lǐng)域變得瘋狂。”其他實驗室很快發(fā)現(xiàn)了有著更高超導(dǎo)臨界溫度的銅氧化物和其他化合物。從那時起，物理學家們就夢想著一路高歌猛進，找到或合成一種能夠在室溫下具有超導(dǎo)電性的材料。這種材料可以極大地提高人類電力基礎(chǔ)設(shè)施的效率，還可以為磁懸浮車輛提供動力，從而徹底變革我們的生活方式。

但是要創(chuàng)造高溫超導(dǎo)體，物理學家們必須加強將電子束縛在一起的膠合力，使電子能夠毫不費力地傳遞電荷。問題是，研究人員首先要弄清楚這種膠合力到底是什么。各種理論層出不窮，但銅氧化物和其他高溫超導(dǎo)體的驚人復(fù)雜性，使所有的嘗試都失敗了。隨著時間的推移，這幅模糊圖景的一部分變得清晰起來：貝德諾斯和穆勒在第一種銅氧化物中觀察到的電阻率與溫度那神秘的線性關(guān)系，在其他銅氧化物和材料開始顯現(xiàn)超導(dǎo)電性之前持續(xù)出現(xiàn)。

研究人員提出理論認為，奇異金屬中的電子處于高度糾纏的量子態(tài)。它們的電阻隨溫度線性增加，且直線的斜率接近于普朗克常數(shù)的數(shù)值，對于所有奇異金屬都相同。這表明，電子是在以物理學定律所允許的最大速率耗散能量。（B：普朗克耗散）在冷卻到臨界溫度以下時，奇異金屬轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂辛汶娮璧耐昝缹?dǎo)體。（A：超導(dǎo)電性）

這種行為開始與在某種程度上似乎是超導(dǎo)性基礎(chǔ)的奇異金屬相逐漸被關(guān)聯(lián)起來。奇異金屬相不僅會在臨界溫度轉(zhuǎn)變到超導(dǎo)狀態(tài)，而且在磁場破壞超導(dǎo)態(tài)的情況下，奇異金屬相在較低溫度下仍然存在。超導(dǎo)態(tài)和奇異金屬相似乎在相互競爭，而臨界溫度則是兩者之間的臨界點。要提高超導(dǎo)臨界溫度，物理學家需要同時了解這兩個相。Hartnoll說：“或許只有當我們理解了超導(dǎo)性從中顯現(xiàn)的奇異金屬相，我們才能夠理解為什么銅氧化物的超導(dǎo)臨界溫度很高?！?/p>

Taillefer表示，材料電阻率和溫度的線性關(guān)系表明，存在一個美麗、簡單、有力的定律，必然有一個簡單、深刻的理論解釋。從1990年開始，研究人員開始找到線性電阻率的量子性質(zhì)的證據(jù)。那一年，Orenstein和他在貝爾實驗室的同事研究了一種名為釔鋇氧化銅（YBCO）的物質(zhì)，他們發(fā)現(xiàn)，與貝德諾斯和穆勒的樣品（LBCO）一樣，當YBCO被冷卻到臨界溫度時，其電阻線性地降低。

通過使用交流電，他們能夠測量材料中電子相互散射的速率，也就是電阻的來源。他們發(fā)現(xiàn)，代表電子散射速率和溫度關(guān)系的直線斜率，驚人地接近基本常數(shù)?，也就是約化普朗克常數(shù)。在量子力學中，?表示最小的可能作用量，也就是能量乘以一個時間量。Orenstein說：“當時我認為這很有趣，但是，我沒有想到，30年后，這仍會是一個完全未被解釋的謎團，而且與黑洞和信息論聯(lián)系了起來?！?013年《科學》雜志上的那篇論文和最近《自然·物理》的研究表明，在奇異金屬中，將電子散射率與溫度聯(lián)系起來的直線斜率總是相同的，那就是?。

量子速度極限

2004年，荷蘭理論學家Jan Zaanen將這種奇特的現(xiàn)象命名為普朗克耗散（Planckian dissipation）。他在《自然·新聞與觀點》的一篇文章中指出，這些材料中的電子，以及有時被稱為“量子湯”的其他奇異物質(zhì)狀態(tài)中的電子，在耗散能量的速率方面，都在一個基本的量子速度極限?！叭绻诟咚俟飞希熊嚩家韵嗤乃俣刃旭?，那并不是因為它們的發(fā)動機相同，而只是因為存在一個速度限制。” Hartnoll解釋道。

為了理解為什么奇異金屬中的電子會向上抵達推定的速度極限，理論物理學家想弄清楚這個速度極限是從哪里來的。最好的論據(jù)將速度極限追溯到海森堡不確定性原理，不確定性原理為我們對世界的確定性——或者一個等價的說法是，世界本身具有的確定性——設(shè)定了一個上限，而這個上限就是由?決定的。普朗克常數(shù)h于1900年由普朗克構(gòu)思，后來被狄拉克表達為約化形式?（=h/2π ），?出現(xiàn)在量子理論的各處。?的數(shù)值極小，代表著作用量的量子單位，但是除此之外，如海森堡表明的那樣，?也是不確定性的量子單位：自然中不可避免的、本質(zhì)的模糊性。

當你試圖同時測量兩個物理量時，就會出現(xiàn)這種模糊性：例如，一個粒子的位置和動量，或者它擁有多少能量并能保持多長時間。換句話說，位置和動量不可能以高于?的準確性被同時確定，能量和時間也不可以。當你對其中一個物理量知道得越多，對另一個物理量就越不確定。Hartnoll解釋說，物理學家的猜測是，奇異金屬中的電子可能以符合不確定原理的最快速度耗散。電子擁有與奇異金屬的溫度成正比的能量，而耗散是一個持續(xù)特定時間的過程。根據(jù)不確定性原理，時間和能量不能同時以任意精度被確定，因此，或許當耗散時間盡可能短時，就會出現(xiàn)普朗克耗散。Hartnoll承認，這只是一個粗略的設(shè)想。他和其他理論物理學家希望更嚴格地證明量子約束，這或許有助于闡明，為什么銅氧化物等材料中的電子群會如此自然地到達量子約束。

全息對偶

在過去幾年里，Hartnoll、Sachdev和其他理論物理學家一直在嘗試用一種令人驚訝的“全息對偶”（holographic duality）來解決這個問題，全息對偶在數(shù)學上把混亂的量子粒子系統(tǒng)（如奇異金屬中的電子）與高一個維度中的假想黑洞聯(lián)系起來。（黑洞會像全息圖一樣從粒子系統(tǒng)中彈出。）值得注意的是，物理學家發(fā)現(xiàn)，黑洞——密度大得令人難以置信的球形物體，它的引力如此之大，以至于光都無法逃逸——進行著與普朗克耗散相當?shù)倪^程：對于能夠多迅速地弄亂落入其內(nèi)部的信息，黑洞也會達到一個極限。

換句話說，黑洞和奇異金屬以某種共同的方式走向極端。全息對偶性使得研究人員能夠?qū)⒑诙吹男再|(zhì)轉(zhuǎn)化為混亂粒子系統(tǒng)的對偶性質(zhì)。他們希望，這將揭示電子在奇異金屬中到底在做什么，在相互競爭的超導(dǎo)相和奇異金屬相中發(fā)生著什么，以及如何打破兩者之間的平衡，將超導(dǎo)性擴展到更高的溫度。運用全息對偶性等方法研究混亂電子的行為的過程中，研究人員已經(jīng)取得了一些進步，對系統(tǒng)有了局部洞察力。一些人認為該領(lǐng)域正處于概念突破的邊緣。Hartnoll在談到普朗克耗散現(xiàn)象時說：“我認為，普朗克耗散現(xiàn)象或許將很快被理解?！?/p>

博科園-科學科普｜文：Natalie/原理/principia1687

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