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沒(méi)什么能比這個(gè)等式，更加讓人感到困惑了。

1911年，荷蘭科學(xué)家昂內(nèi)斯偶然發(fā)現(xiàn)汞在4.2K（約-269℃）時(shí)電阻突變?yōu)榱悖锢韺W(xué)中最吸引人的宏觀量子效應(yīng)之一——超導(dǎo)電性，自此顯露了它神奇的一角。

如今百年過(guò)去，科學(xué)家已挖掘出數(shù)千種超導(dǎo)材料，期間誕生了多位諾貝爾獎(jiǎng)獲得者。目前大多數(shù)傳統(tǒng)金屬的超導(dǎo)都可以被經(jīng)典BCS理論所解釋?zhuān)珜?duì)于高溫非常規(guī)超導(dǎo)體系，至今仍沒(méi)有完美的理論能夠解釋其機(jī)理。

李政道對(duì)超導(dǎo)的形象描述：超導(dǎo)本質(zhì)上是低溫下電子兩兩配對(duì)，并以統(tǒng)一的節(jié)奏行動(dòng)，實(shí)現(xiàn)無(wú)損耗地運(yùn)動(dòng)。

本質(zhì)上，超導(dǎo)相關(guān)研究主要就是做兩件事：找到臨界溫度（Tc）更高的超導(dǎo)材料，以及搞明白高溫超導(dǎo)電性的產(chǎn)生機(jī)理。

氧化物界面超導(dǎo)，一個(gè)超導(dǎo)機(jī)制尚不明確的新興體系，就這樣吸引了科學(xué)家們的目光。

2007 年，Reyren等人在?LaAlO?/SrTiO? (LAO/STO) 界面首次觀測(cè)到界面超導(dǎo)，Tc在0.2K左右，把“絕緣體 + 絕緣體 = 超導(dǎo)”這個(gè)反直覺(jué)的現(xiàn)象推至臺(tái)前。 2021 年，美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室又發(fā)現(xiàn)了類(lèi)似的現(xiàn)象：在EuO/KTaO? (EuO/KTO)?和LAO/ KTaO? (LAO/KTO)?氧化物界面，同樣出現(xiàn)了超導(dǎo)電性。Tc是LAO/STO界面超導(dǎo)體系的10倍左右，這為后續(xù)相關(guān)研究提供了重要的平臺(tái)。

無(wú)論是 STO 還是 KTO，它們都具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)相近，可作為界面超導(dǎo)材料的“襯底”。科研人員用脈沖激光沉積等方法，把 LAO、EuO 等氧化物逐層“打印”在這些襯底上。當(dāng)達(dá)到臨界厚度時(shí)（例如 LAO的厚度達(dá)到約 4 個(gè)原子層），原本絕緣的界面則會(huì)突然出現(xiàn)一層僅幾納米厚的導(dǎo)電層，形成準(zhǔn)二維的電子系統(tǒng)。物理學(xué)家們知道，低維物理常帶來(lái)塊體材料所沒(méi)有的奇異性質(zhì)。

那么，這個(gè)薄膜上電子是如何配對(duì)進(jìn)而產(chǎn)生超導(dǎo)的？還不清楚。

氧化物界面超導(dǎo)，更像是常規(guī)超導(dǎo)，還是非常規(guī)超導(dǎo)？尚無(wú)定論。

它會(huì)擁有更高的臨界溫度嗎？懸而未決。

你會(huì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)面對(duì)這樣一個(gè)“反常”的超導(dǎo)體系時(shí)，俯身皆是未知。

但可以肯定的是，LAO/KTO這類(lèi)氧化物異質(zhì)結(jié)界面超導(dǎo)體系提供了一個(gè)潛力巨大的量子材料平臺(tái)：不同氧化物之間的靈活組合或?qū)⒋呱嘁庀氩坏降碾娮討B(tài)，并為研究高溫超導(dǎo)機(jī)理提供獨(dú)特視角。

從2019年開(kāi)始，吳頡指導(dǎo)博士生成相泊開(kāi)始了對(duì)LAO/KTO界面超導(dǎo)體系的研究。

先說(shuō)結(jié)果，在這樣一個(gè)奇妙的量子體系里，吳頡團(tuán)隊(duì)看到了什么？

最反常的是，吳頡團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)在超導(dǎo)臨界溫度附近，也就是進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)前，LAO/KTO界面電阻并非同時(shí)沿所有方向均勻下降，而是先沿某一方向顯著降低，這意味著超導(dǎo)會(huì)在某個(gè)方向上率先出現(xiàn)，隨后才蔓延到其他方向。

當(dāng)溫度繼續(xù)降低到超導(dǎo)臨界溫度附近時(shí)，電子們突然像獲得了“集體智慧”，率先沿某一方向成對(duì)凝聚。這種自發(fā)選擇方向、破壞原本狀態(tài)的行為被稱為電子向列性（Electronic?Nematicity）。

Tc 附近的電子向列性。（a）和（b）分別展示了三個(gè)代表性溫度2.5、1.84和1.55 K下的縱向電阻和橫向電阻隨角度的周期性振蕩

量子金屬態(tài)中的電子向列性。（a）和（b）分別展示了三個(gè)代表性磁場(chǎng)0.1、0.45和1.0 T下的縱向電阻和橫向電阻隨角度的周期性振蕩

種種新奇的現(xiàn)象，帶來(lái)了更多實(shí)驗(yàn)證據(jù)，以及更多的疑問(wèn)。電子向列性是如何產(chǎn)生的？目前學(xué)界還沒(méi)有確定的答案。吳頡團(tuán)隊(duì)也提出了自己的猜測(cè)，這可能源于電子態(tài)中自發(fā)形成的，動(dòng)態(tài)或靜態(tài)的電子條紋相（stripe phase）——電子在空間中自發(fā)形成了周期性的密度分布。

此前，科學(xué)家在銅基、鐵基等非常規(guī)高溫超導(dǎo)體系中均發(fā)現(xiàn)了電子向列性。如果科學(xué)家能搞清楚電子向列性與高溫超導(dǎo)性之間的聯(lián)系，或許人類(lèi)離實(shí)現(xiàn)高溫超導(dǎo)的目標(biāo)就愈加前近了一步。

接下來(lái)，讓我們先從微觀粒子的汪洋大海中抽身出來(lái)。當(dāng)我們?cè)倏催@一片小小的界面時(shí)，我們看到的是什么？

自發(fā)對(duì)稱性破缺。

諾獎(jiǎng)獲得者菲利普·安德森曾在1972年介紹對(duì)稱性破缺，他在那篇著名的論文標(biāo)題中寫(xiě)道：More is different（多則不同）。當(dāng)粒子數(shù)量達(dá)到宏觀尺度時(shí)，會(huì)涌現(xiàn)出難以從單個(gè)粒子推導(dǎo)出的新規(guī)律。

本篇文章所講述的故事，就是萬(wàn)億電子化作一個(gè)大集體時(shí)，他們自己的選擇。

吳頡解釋?zhuān)僭O(shè)桌子上立著一支筆尖朝下的鉛筆，不論你從哪個(gè)角度看它，這支筆并不會(huì)發(fā)生變化，這就是鉛筆的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性。而當(dāng)鉛筆的平衡不再，即將倒下時(shí)，它會(huì)倒向任意一個(gè)方向，此時(shí)，對(duì)稱性就“自發(fā)”地被打破了。

類(lèi)似地，電子原本在材料中無(wú)規(guī)則地隨機(jī)移動(dòng)，也就不存在電阻在不同方向上的差別，換言之，電子的運(yùn)動(dòng)具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性。當(dāng)溫度降低，這個(gè)系統(tǒng)自身的微小擾動(dòng)讓某個(gè)方向上的電阻發(fā)生了變化，原有對(duì)稱性就此破缺。從物理學(xué)意義上講，對(duì)稱性從高到低破缺，是混亂邁向整齊，無(wú)序變得有序的過(guò)程。

可以看出，自發(fā)對(duì)稱性破缺，與前文提到的電子向列性的形成、氧化物界面超導(dǎo)的機(jī)制，是相關(guān)聯(lián)的事情。

事實(shí)上，對(duì)稱性自發(fā)破缺是個(gè)常見(jiàn)現(xiàn)象，很大程度上造就了我們的世界。不論是BCS理論，還是基本粒子標(biāo)準(zhǔn)模型的希格斯機(jī)制，甚至一群鳥(niǎo)類(lèi)飛著飛著，就統(tǒng)一朝著某個(gè)方向行進(jìn)，它們的背后都是對(duì)稱性的自發(fā)破缺在起作用。

前文提到，這個(gè)課題，成相泊從2019年開(kāi)始著手研究。

但事實(shí)上，要聊這次成果，2019年依然不是起點(diǎn)，這事得從2012年講起。那時(shí)的吳頡剛美國(guó)加州伯克利大學(xué)畢業(yè)沒(méi)多久，從國(guó)家強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)而加入美國(guó)布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，擔(dān)任助理研究員。

科研的出發(fā)點(diǎn)，往往都是偶然。那時(shí)的吳頡正在對(duì)LSCO材料（鑭鍶銅氧）做常規(guī)的電輸運(yùn)測(cè)量，卻發(fā)現(xiàn)了奇怪的事：他在電流的垂直方向上也測(cè)到了電阻，甚至效應(yīng)還很明顯。吳頡一頭霧水：這跟教科書(shū)說(shuō)的不一樣啊！

“這是第一個(gè)最困擾的事情，就這東西，怎么能不是0呢？從任何的物理基本意義上來(lái)說(shuō)，它都得是0。”

其他實(shí)驗(yàn)室成員也都注意到了這個(gè)現(xiàn)象，但大家沒(méi)有答案。一直到四年后，吳頡終于解開(kāi)了這個(gè)謎題，現(xiàn)在想來(lái)也簡(jiǎn)單，這正是電子向列性導(dǎo)致的。這篇成果當(dāng)年發(fā)表在了《自然》雜志上。

2019年，吳頡加入西湖大學(xué)物理系。正巧，浙江大學(xué)謝燕武教授在研究LAO/KTO的界面超導(dǎo)現(xiàn)象時(shí)，也在霍爾效應(yīng)測(cè)試中發(fā)現(xiàn)了奇怪的電阻現(xiàn)象。兩位凝聚態(tài)物理學(xué)家一合計(jì)，打算試試在界面上找尋電子向列性的身影。

但這事做起來(lái)并不容易。吳頡首先掏出老辦法——界面上刻出36根霍爾條，每10度測(cè)量縱向和橫向電阻。但這種檢驗(yàn)方式對(duì)于樣品的均勻性要求極高——在研究的前三年，受困于測(cè)量信噪比過(guò)低，以及樣品質(zhì)量的限制，一直沒(méi)有看到界面上的電子向列性。

“是不是很簡(jiǎn)單？科學(xué)上很多東西都是這樣，聽(tīng)上去很簡(jiǎn)單，但之前就是沒(méi)想到。”

同樣也是2022年，謝燕武課題組LAO/KTO界面超導(dǎo)樣品的制備質(zhì)量顯著提升。在兩邊實(shí)驗(yàn)室雙雙取得了重要進(jìn)展的情況下，他們最終如愿在界面上看到電子向列性的存在跡象。

研究到了這里還沒(méi)結(jié)束。越熱的話題，可能越需要坐穿冷板凳的耐心。大熱的超導(dǎo)可能尤為如此。“很多研究如果做的不夠嚴(yán)謹(jǐn)，會(huì)經(jīng)常有一些錯(cuò)誤的‘大發(fā)現(xiàn)’。但作為科學(xué)家來(lái)說(shuō)，我們一定要對(duì)我們自己發(fā)表的東西負(fù)責(zé)。”吳頡說(shuō)道。

看到結(jié)果后，研究團(tuán)隊(duì)又花了接近兩年時(shí)間，反復(fù)確認(rèn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)性，并對(duì)樣品進(jìn)行系統(tǒng)性的測(cè)量。為此，他們先后排查測(cè)試了數(shù)十塊樣品——想要系統(tǒng)性地測(cè)量一塊樣品的數(shù)據(jù)，成相泊需要在稀釋制冷機(jī)前實(shí)驗(yàn)近一個(gè)月時(shí)間。稀釋制冷機(jī)能夠?qū)⒉牧蠝囟冉档椭良s10 mK，接近于絕對(duì)零度。

故事到此，才暫告一段落。吳頡實(shí)驗(yàn)室與電子向列性的研究則還在繼續(xù)，他們希望用更多測(cè)量手段，來(lái)表征界面超導(dǎo)體系，并研究超導(dǎo)電性與電子向列性之間的關(guān)系。最終，自然是希望進(jìn)一步探索神秘的超導(dǎo)機(jī)理。

“科研永遠(yuǎn)是你回答了一個(gè)問(wèn)題，然后出來(lái)更多的問(wèn)題。永遠(yuǎn)是這個(gè)狀態(tài)。對(duì)我們來(lái)說(shuō)，總會(huì)有值得進(jìn)一步思考的問(wèn)題不斷出現(xiàn)。”

吳頡實(shí)驗(yàn)室合影