摘要：国家科技传播中心学术发展讲堂是中国科协最新推出的一档学术栏目，突出前沿性、思辨性和传播性，生产和传播学术领域的前沿发展动态。讲堂将持续邀请战略科学家、一流科技领军人才和创新团队，亲自讲述突破传统的前沿探索、卓有成效的改进方法、颠覆认知的创新理论以及改写行业规则

原创 向涛 中国科协之声

导 语

国家科技传播中心学术发展讲堂是中国科协最新推出的一档学术栏目，突出前沿性、思辨性和传播性，生产和传播学术领域的前沿发展动态。讲堂将持续邀请战略科学家、一流科技领军人才和创新团队，亲自讲述突破传统的前沿探索、卓有成效的改进方法、颠覆认知的创新理论以及改写行业规则的研究成果。今日为您推送第一期内容，一起看→

“高温超导是探索建立非微扰量子场论的一个理想系统，是量子多体系统新现象、新概念、新方法和新技术发展的源泉。发现高温超导的共性规律是解决高温超导机理的必由之路。”中国科学院院士、中国科学院物理研究所研究员向涛在国家科技传播中心学术发展讲堂上发表观点。

中国科学院院士、中国科学院物理研究所研究员向涛以《什么是高温超导问题》为主题，介绍了高温超导的发现历程、基本性质以及面临的科学问题，提出了高温超导研究揭示的一些新现象和新效应，并强调建立新的理论框架和创新实验方法对于突破现有研究瓶颈的重要意义。他提出，高温超导的机理问题是当前科学研究中的一个重大难题，解决这一问题不仅能够推动超导材料的广泛应用，还将为非微扰量子场论等基础物理研究带来革命性突破。

高温超导：开启量子多体理论宝藏的金钥匙

向 涛

高温超导机理问题，或更广泛地说，高温超导问题，是凝聚态物理领域的核心科学难题之一，也是《Science》期刊评选出的本世纪125个重大科学问题之一。解决这一问题，不仅能揭示高温超导的微观机制，指导发现更多实用性强的高温超导材料，推动超导技术在更广泛领域的应用，也将为探索量子多体系统的普适性规律、建立系统的非微扰量子场论提供重要的理论基础。

高温超导研究的科学和应用背景

高温超导电性是1986年两位瑞士物理学家Alexander Müller和Georg Bednorz发现的，他们也因此获得了1987年诺贝尔物理学奖。

超导是低温下出现的一种宏观量子态，我们通常把超导的相变临界温度接近或者超过40K的超导体叫做高温超导体。到目前为止，已发现的高温超导体有四类，包括1986年发现的铜氧化物高温超导体，2001年发现的二硼化镁超导体，2008年发现的铁基超导体，和2015年在极高压下发现的富氢化合物高温超导体。

超导是一个理想的导体，没有电阻，同时也是一个理想的抗磁体。如果对超导体施加一个磁场，磁场会被完全排斥在这个超导体之外，这是超导体有别于一般导体的一个特性。没有电阻，输电就没有能耗和发热效应，超导体因此能够通过一个很大的临界电流，由此产生一个用其他导体无法产生的强磁场。此外，超导体对磁的微小变化非常敏感，可用于高灵敏磁探测，也是其他材料所不具备的优势。

超导技术的应用范围极为广泛，涵盖了超导量子计算、超导磁悬浮列车、热核聚变、大型加速器、大功率输电到心脑磁图诊疗等多个前沿方向，横跨电子信息、交通运输、能源电力、机械工程、生物医学以及大科研装置等诸多领域。作为当代科技发展的重要支柱，超导技术已成为全球高科技竞争的焦点之一。

目前大多数超导应用，仍依赖于超导相变温度较低的常规金属超导体。高温超导材料虽然能够显著降低低温维持成本并提高系统稳定性，但由于制备工艺复杂和机械性能不足，其应用成本较高，限制了应用范围。要突破这一瓶颈，不仅需要提升高温超导材料的制备技术，更关键的是深入理解高温超导的物理规律，发现更多性能优异且实用的高温超导材料。

超导现象的发生依赖于两个关键过程：电子配对和量子相干凝聚。电子配对是指两个电子通过某种吸引相互作用形成类玻色子的束缚态，这种束缚态被称为库珀对。当这些库珀对的量子位相发生相干时，它们会凝聚到一个宏观的超导态中，从而表现出零电阻和抗磁性等超导特性。

在常规超导体中，电子配对的吸引相互作用主要来源于电子-声子相互作用，电子通过扰动晶格，进而间接吸引另一个电子形成库珀对。然而，在铜氧化物和铁基高温超导体，驱动电子配对的相互作用机制至今仍未完全阐明。磁性相互作用、强关联效应以及其他未知因素可能在其中扮演重要角色。揭示高温超导体中电子配对的起源，正是高温超导机理研究要解决的核心科学问题。

高温超导在量子多体理论研究中的地位

量子理论自20世纪初萌芽以来，已发展成为物质科学，尤其是物理、化学、材料科学和信息科技的重要支柱，对现代社会的发展产生了极其深远的影响。

量子理论的发展历程大致可分为三个阶段。第一阶段从20世纪初至20世纪20年代末，是量子基本规律和量子力学的建立阶段，奠定了量子理论的基石。第二阶段从1927年到20世纪70年代，是微扰量子场论的建立与发展阶段，是量子力学的基本规律在多体量子系统的应用，其成果已成为量子科学与技术研究的重要手段。第三阶段从20世纪50年代开始，是非微扰量子场论（也就是强关联量子多体理论）的发展阶段，建立非微扰量子场论要比建立微扰量子场论要难得多，所以到现在为止这个问题依然没有解决，仍处于探索和发展的过程之中。

在量子理论发展的每个阶段，尽管有许多物理问题需要研究和解决，但其中某些问题的研究对推动量子理论的进步起到了尤为关键的作用。这些问题有两个基本的特点：一是这些问题揭示的物理现象不能在当时已有的物理理论框架中得到解释；二是解决这些问题，会导致新的物理理论的产生。例如，在量子力学的建立阶段，有两个物理问题对量子力学的诞生起到了决定性作用：其一是黑体辐射问题，普朗克正是在解决这一问题时首次提出了量子的概念；其二是氢原子光谱的问题，它为建立量子力学的数学框架提供了重要实验依据。在第二阶段，即微扰量子场论的发展阶段，对量子电动力学问题的研究占据了核心地位，其重要性是其他问题无法比拟的，它为微扰量子场论的建立和完善提供了关键的理论基础和验证平台。

在第三个阶段，对这类关键性问题的研究，起初是集中在对原子核中发现的强相互作用问题上，由于这种相互作用很强，不能对其通过微扰展开的方法来处理，因此超越了微扰量子场论能处理的范围。但对强相互作用问题的实验研究，需要超大规模的粒子加速器，进展一直不大。正在大家一筹莫展的时候，上个世纪80年中期，高温超导出现了，同样这是一个强关联系统，相互作用也不能用微扰的方法来近似处理。但相对于强相互作用问题，高温超导的研究相对容易在实验室中实现，任何理论的正确性可得到及时的检验，研究门槛比强相互作用问题低很多；同时，高温超导的研究揭示了大量新颖的物理现象和物理效应，且有一定的普适性，为总结和发现强关联量子多体系统的运动规律提供了一个相对完备的参照系。这些现象不能在现有的固体理论的框架下得到解释，是对量子场论的一个挑战。因此，高温超导不仅是一个有广泛应用潜力的材料，也是建立强关联量子多体理论的一个重要参照系。

高温超导对强关联量子多体理论的挑战

在过去的近四十年中，高温超导研究揭示了许多新奇物理现象，这些现象在现有的量子多体理论框架中无法得到合理解释。这不仅阻碍了高温超导机理的根本解决，也为量子多体理论研究带来了严峻挑战。以下是高温超导研究中几个最引人注目的未解之谜：

1.线性电阻问题

在常规金属导体中，低温电阻通常随温度的平方或五次方变化。然而，在最佳掺杂的高温超导材料中，低温电阻却表现出随温度线性变化的行为。这一现象的物理根源和机制至今仍未阐明。

2.电阻的Mott-Ioffe-Regel极限问题

在导体中，电子散射会导致电阻的产生，其强度可以用电子的平均自由程来描述。根据传统的电子输运理论，电子的平均自由程不可能小于一个原子的距离，因此原子的半径设定了电阻的一个上限，这个上限就是Mott-Ioffe-Regel极限。然而，在高温超导材料中，实验发现电阻可以完全超越这一极限，这一现象挑战了传统电子输运理论的基本假设。

3.赝能隙问题

当导体转变为超导体时，其比热在超导相变临界温度附近会出现一个尖峰，随后随温度降低迅速衰减，这是电子形成束缚态并打开能隙的结果。赝能隙是在正常相（非超导相）中电子在部分费米面上出现能隙现象，由此也会导致比热在超导相变温度之上就会随温度降低而下降。赝能隙的存在导致低能熵（能量低于25meV）的缺失，而红外光谱实验发现这些缺失的低能熵转移到了1eV左右的高能量态上。这种极高能态对低能态的显著影响在以往的物理研究中几乎从未出现过，暗示着微扰量子场论的一些基本原则（如可重正性）可能需要重新审视。

4.费米弧问题

在常规导体中，费米面是布里渊区中的一个封闭曲面。然而，在赝能隙出现时，高温超导体的费米面不再封闭，而是呈现为弧状结构。这种不封闭的费米弧是赝能隙的直接后果。令人困惑的是，在这种系统中，实验发现强磁场下依然会出现只有封闭费米面系统才可能观测到的量子振荡现象。这一矛盾现象为理解高温超导体的电子结构带来了新的挑战。

5.线性电阻与超导相变温度的关联问题

实验发现，在过掺杂的高温超导体中，低温线性电阻系数的平方根与超导相变温度之间存在线性相关性。这一现象令人费解，因为电阻是一种耗散行为，而超导是一种无耗散行为，一个耗散量与一个无耗散量之间存在内禀联系，这在其他导体中从未被发现过。

事实上，高温超导体中发现的令人费解的问题远不止上述这些，但这些现象与现有理论的冲突最为突出。这些未解之谜不仅是对现有理论的挑战，也为新的量子理论的诞生提供了契机。解决这些问题，不仅将推动高温超导机理的突破，还可能催生全新的量子多体理论和研究方法，为凝聚态物理和其他领域带来深远影响。

高温超导对量子多体理论的推动作用

高温超导的机理问题尽管还没能解决，但高温超导的研究对量子多体理论起到的推动作用是巨大的，主要体现在以下三个方面。

首先，高温超导研究极大地深化了我们对强关联量子效应的理解。通过大量的实验和理论分析，科学家们证实了高温超导电子配对具有d波对称性，并发现了一系列新颖的量子现象和效应。这些发现不仅帮助我们建立了对这些量子现象的定量化描述，还加深了对强关联物理现象的全面理解，为后续研究奠定了坚实基础。此外，高温超导的研究还推动了重费米子、巨磁阻、量子自旋液体等凝聚态物理前沿领域的发展，成为推动量子多体问题研究的源动力。

其次，高温超导研究极大地促进了实验技术的创新。作为实验技术创新的强大催化剂，高温超导研究加速了角分辨光电子谱（ARPES）、扫描隧道显微镜（STM）、中子散射、共振非弹性X射线散射（RIXS）等实验技术的发展。这些技术不仅在高温超导研究中发挥了关键作用，还在凝聚态物理和材料科学的其他领域得到了广泛应用，推动了物理学及其交叉学科的全面发展。

最后，高温超导研究推动了量子多体理论和方法的发展。尽管目前尚未建立起一个完整的量子多体理论框架，但高温超导研究极大地加深了我们对多体量子世界特别是量子临界行为和量子纠缠特性的理解。此外，它还促进了量子蒙特卡洛、密度矩阵及张量网络重正化群等量子多体计算方法的发展。这些受高温超导启发而建立的理论和方法，对整个量子多体问题的研究也产生了深远的影响。

尽管有以上这些进展，但要真正解决高温超导问题并推动量子多体理论的发展，还需建立描述高温超导及其他量子多体系统的基本理论框架。这个框架的建立，不能只是发现更多的实验现象，收集更多的实验数据，而是要通过对实验数据和现象的深入分析，揭示数据之间存在的内在联系，并从中提炼出支配这些数据出现的普适性规律。唯有如此，才能为实验研究提供更清晰的理论指导，帮助发现新的物理效应，并从根本上破解高温超导机理难题。

决定超导相变温度的最关键因素是配对相互作用，配对相互作用越强，超导相变温度就越高。在实际材料中，许多因素都会影响超导电子配对的强度，例如准二维性、反铁磁涨落、轨道涨落以及电子-声子相互作用等。在已知的四类高温超导体中，反铁磁涨落在铜氧化物和铁基超导体中起到了重要的作用，而电子-声子相互作用则在二硼化镁（MgB₂）及高压下的富氢化合物超导体中更为显著。

那么，导致这些高温超导材料中电子配对的相互作用的起源，是不是存在一些共性的地方？带着这个疑问，我们全面分析了已有高温超导体的相互作用特性，发现这些高温超导体的确存在强化学键（特别是σ共价键）电子的金属化趋势这一共同现象。这一现象在铜氧化物、二硼化镁和富氢高温超导体中均可以通过理论计算和分析得到验证。对于铁基超导体，由于铁离子的多个轨道参与导电，存在σ键电子的金属化也是一个比较自然的结论。此外，与铜氧化物超导体相似，铁基超导体也表现出较差的机械性能和易化学掺杂的特性，这些都与σ键电子的金属化特征一致，进一步支持了这一判断。

以上分析表明，金属化σ键或其他强化学键电子是实现高温超导的普适途径，是指导发现高温超导体的一个普适性规律。那么，为什么σ键的金属化有利于高温超导的出现？原因在于，σ共价键是分子中一对电子的强束缚态。在晶体中，σ键电子通过杂化形成能带，是稳定晶体结构的主要相互作用。σ键电子的金属化意味着打断这种强键合，使σ电子能够自由移动并参与导电，但这同时也会破坏晶体结构的稳定性。因此，σ键电子的金属化并非易事，这也可能是高温超导体难以发现的原因之一。

然而，在不破坏晶体结构的前提下，一旦σ键实现金属化，就有可能形成高温超导电子配对。例如，硼化镁（MgB₂）就是通过金属化σ键将“石墨”转变为高温超导体的典型例子。尽管σ键电子金属化后其束缚相互作用会减弱，但其强度仍可能远高于反铁磁等其他相互作用，从而为高温超导电子配对提供了强有力的机制。这为探索和发现新的高温超导体提供了的理论依据。

结束语

高温超导是关联量子新现象、新概念、新方法和新技术发展的源泉。在铜氧化物和铁基超导体中发现的物理现象和物理效应，不能在现有的多体量子理论的框架中得到满意的解释，是量子多体理论面临的严峻挑战，同时也为其提供了理想的研究平台。可以说，高温超导是开启量子多体理论宝藏的一把金钥匙，其研究不仅能推动量子多体理论的发展，也为探索新的量子态和量子效应提供了独特的机会。

要解决高温超导的机理问题，首先需要发现并建立对高温超导现象的规律性描述。这一过程不仅依赖于对实验数据的深入分析，还需要发展和建立系统可靠的研究量子多体问题的理论方法。与此同时，实验技术的概念创新也至关重要。我们需要发展能够直接探测微观相互作用的实验技术和方法，特别是那些具有能量和动量分辨能力的探测手段。通过这些技术，我们可以精确地确定究竟是哪种相互作用导致了电子的配对，从而从根本上解决高温超导配对机理这一世纪性难题。

总之，高温超导研究不仅揭示了量子多体物理的深层次问题，也为量子理论和实验技术的突破提供了契机。通过理论与实验的紧密结合，我们有望最终揭开高温超导的奥秘，为量子多体理论的发展开辟新的道路。

对谈环节，封东来院士作为嘉宾主持，与向涛院士、马衍伟研究员、王亚愚教授、程金光研究员深度对话，围绕高温超导的机理探索、应用前景、人才培养等议题展开详细的讨论和交流。

王亚愚教授

在高温超导机理研究方面，目前高温超导的微观机理仍是一个有待解决的重大科学难题，一个正确的理论应该能够自洽、完备且合理地解释高温超导的各种反常物理现象，并能够做出新的预言，指导实验设计。

马衍伟研究员

实现更高的强磁场需要提高超导线材的载流性能和机械强度；在电力系统中，高温超导材料有着广泛应用前景，如高温超导电缆、变压器等，而降低成本、提高性能和稳定性是实现高温超导材料产业化应用的关键。

程金光研究员

高温超导研究的现状是不同的实验技术从不同角度探测高温超导体，没有一个理论能完美解释所有实验现象。利用超导体的约瑟夫森效应，可以制造出超导量子干涉仪等高灵敏度的探测器，广泛应用于地质勘探、医学诊断等领域；同时随着实验技术的不断进步，超导电子学的应用范围将进一步扩大，为高温超导的研究和应用提供新的思路。

向涛院士

现有的理论多是建立在微扰论的基础上，且对高温超导规律性的认识不足，无法从根本上解决高温超导中发现的物理问题，建立一个适用于强关联量子系统的非微扰量子理论框架是解决高温超导机理问题的关键。

来源：澎湃新闻客户端