近日，一篇發表在《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象。在銅氧化物中的電子似乎會盡可能快地耗散能量，並且耗散過程明顯趨於一個基本的量子速度極限。
而之前的研究（尤其是2013年《科學》雜誌上的一篇論文）發現其他奇異超導化合物——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，並決定著它們如何傳播能量和信息。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、代表自然中能夠發生的最小可能作用量——普朗克常數的數值有關聯（普朗克常數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物理學家Louis Taillefer說：”當你看到這個結果的時候，就知道自己正在觸及一些非常深刻和基本的東西。”
當銅氧化物和其他奇異化合物處於奇異金屬相時，會比傳統金屬更加強烈地阻礙電流流動，因而出現這種燃燒能量的行為。但是，當它們被冷卻到臨界溫度時，卻會轉變成完美的、不損耗電的超導體。32年來，物理學家一直試圖理解和控制超導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，其中每一個電子的性質依賴於其他每一個電子的性質。這種最大混亂的狀態可能允許電子彼此散射，並在量子力學定律允許的範圍內儘快傳播能量。
這種混亂的狀態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仍然相互依賴的想法感到憤怒。然而，對於奇異金屬，有數百萬個電子糾纏，進而導致整個的物質狀態，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計力學中一個深刻的想法。”發現這個深刻想法的努力已經揭示出與黑洞、引力和量子信息論之間驚人的聯繫。
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、氧四種原子構成），並發現了所謂的“
高溫超導”——他們注意到新發現的晶體具有一些奇怪的性質，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。對於傳統的材料，溫度和電阻的關係會形成更為複雜的曲線。
○ 在銅這樣的常規金屬中，電流可以被認為是大量單個電子的流動。因為電子相互散射導致的對電流的阻礙，也就是電阻，通常隨著溫度的平方增加。
當時，這一觀察結果被一項更引人注目的結果所掩蓋——貝德諾斯和穆勒發現的銅氧化物的超導性有著比此前認為可能的更高的臨界溫度，這一發現迅速為他們贏得了諾貝爾物理學獎，並引發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，整個領域變得瘋狂。”
其他實驗室很快發現了有著更高超導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電性的材料。這種材料可以極大地提高人類電力基礎設施的效率，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。
但是要創造高溫超導體，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麼。各種理論層出不窮，但銅氧化物和其他高溫超導體的驚人複雜性，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係，在其他銅氧化物和材料開始顯現超導電性之前持續出現。
○ 研究人員提出理論認為，奇異金屬中的電子處於高度糾纏的量子態。它們的電阻隨溫度線性增加，且直線的斜率接近於普朗克常數的數值，對於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，奇異金屬轉變為具有零電阻的完美導體。（A：超導電性）
這種行為開始與在某種程度上似乎是超導性基礎的奇異金屬相逐漸被關聯起來。奇異金屬相不僅會在臨界溫度轉變到超導狀態，而且在磁場破壞超導態的情況下，奇異金屬相在較低溫度下仍然存在。
超導態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。要提高超導臨界溫度，物理學家需要同時瞭解這兩個相。Hartnoll說：“或許只有當我們理解了超導性從中顯現的奇異金屬相，我們才能夠理解為什麼銅氧化物的超導臨界溫度很高。“
Taillefer表示，材料電阻率和溫度的線性關係表明，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的證據。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，他們發現，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。他們發現，代表電子散射速率和溫度關係的直線斜率，驚人地接近基本常數ħ，也就是約化普朗克常數。在量子力學中，ħ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年後，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繫了起來。”
2013年《科學》雜誌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繫起來的直線斜率總是相同的，那就是ħ。
量子速度極限
2004年，荷蘭理論學家Jan Zaanen將這種奇特的現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”的其他奇異物質狀態中的電子，在耗散能量的速率方面，都在一個基本的量子速度極限。
“如果在高速公路上，所有車都以相同的速度行駛，那並不是因為它們的發動機相同，而只是因為存在一個速度限制。” Hartnoll解釋道。
為了理解為什麼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裡來的。最好的論據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——設定了一個上限，而這個上限就是由ħ決定的。
普朗克常數h於1900年由普朗克構思，後來被狄拉克表達為約化形式ħ（=h/2π ），ħ出現在量子理論的各處。ħ的數值極小，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，ħ也是不確定性的量子單位：自然中不可避免的、本質的模糊性。
當你試圖同時測量兩個物理量時，就會出現這種模糊性：例如，一個粒子的位置和動量，或者它擁有多少能量並能保持多長時間。換句話說，位置和動量不可能以高於ħ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，而耗散是一個持續特定時間的過程。根據不確定性原理，時間和能量不能同時以任意精度被確定，因此，或許當耗散時間儘可能短時，就會出現普朗克耗散。
Hartnoll承認，這只是一個粗略的設想。他和其他理論物理學家希望更嚴格地證明量子約束，這或許有助於闡明，為什麼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
在過去幾年裡，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，全息對偶在數學上把混亂的量子粒子系統（如奇異金屬中的電子）與高一個維度中的假想黑洞聯繫起來。（黑洞會像全息圖一樣從粒子系統中彈出。）
值得注意的是，物理學家發現，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，以至於光都無法逃逸——進行著與普朗克耗散相當的過程：對於能夠多迅速地弄亂落入其內部的信息，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將黑洞的性質轉化為混亂粒子系統的對偶性質。他們希望，這將揭示電子在奇異金屬中到底在做什麼，在相互競爭的超導相和奇異金屬相中發生著什麼，以及如何打破兩者之間的平衡，將超導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，研究人員已經取得了一些進步，對系統有了局部洞察力。一些人認為該領域正處於概念突破的邊緣。Hartnoll在談到普朗克耗散現象時說：“我認為，普朗克耗散現象或許將很快被理解。”
小結：
1900年：普朗克常數h
1927年：海森堡不確定性原理
1986年：發現高溫超導，奇異金屬相的電阻隨溫度降低線性降低
1990年：高溫超導體YBCO的電子散射速率隨溫度降低線性降低
2004年：普朗克耗散
2013年：全息對偶
2018年：直線斜率對所有奇異金屬都近似相等
譯：烏鴉少年
原文鏈接：https://www.quantamagazine.org/universal-quantum-phenomenon-found-in-superconductors-20181119/
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