物理學家證實聲子在高溫超導體中有作用
褚志斌 (芝加哥大學博士後研究員)
1911年，荷蘭物理學家昂尼斯(H.K. Onnes)利用液態氦將汞降到4.15K的低溫時，發現汞的電阻突然消失。之後多種其它金屬被觀察到在不同溫度的低溫時，也都會產生這種無電阻傳導現象。這種狀態被稱為超導態(superconducting state)，成為超導態的金屬稱為超導體(superconductor)。產生超導態改變的溫度稱為臨界溫度(critical temperature，簡稱Tc)。1933年麥斯納(W. Meissner)和奧生菲德(R. Ochsenfeld)發現超導體內部的感應磁場強度為零，具有完全抗磁性，稱之為麥斯納效應(Meissner effect)。零電阻和完全抗磁性為超導體兩個基本性質。1950年物理學家發現臨界溫度與原子量的平方根乘積為一定值，意即如果以較重的同位素取代超導體中的原子，則 Tc 會降低，稱為同位素效應。這個發現指出了超導體中電流的傳導，不僅和電子有關，也和晶格的震動有關。晶格震動能量的量子化，稱為聲子(phonon)。 1956年，庫柏(L.N.Cooper)提出超導體中，電子會兩兩成對在一起，產生相互作用。兩兩成對的電子稱為庫柏電子對(cooper pair)。形成庫伯對的電子彼此自旋相反，而動量和守恆。因為電子對的自旋總合為零，不違反包立不相容原理(Pauli exclusion principle )，因此可以有無限多組的電子對存在同一個量子態上，使這些電子對可以都同調(coherent)進行。聲子的角色類似接合劑，電子對會因聲子而”黏"在一起，產生相互作用，克服彼此間的庫倫排斥力。要把一對電子從超導電流中拆出來的能量稱為超導能隙(superconducting energy gap)，當越來越多電子形成庫柏對後，超導能隙也會跟著增加，超導電流範圍也跟著變大。未形成庫柏對的電子則徘徊在周圍。聲子不會干擾庫柏電子對，但是會把還沒成對的電子拉走。1957 年，伊利諾大學厄巴拿香檳分校(University of Illinois at Urbana-Champaign)巴定(B.D. Bardeen)、庫柏(L.N. Cooper)和史瑞福(J.R. Schrieffer)發表了著名的超導微觀理論，稱為BCS理論。BCS理論利用庫伯電子對理論解釋了超導現象，三人因此獲得物理諾貝爾獎，其中巴定是第二次拿物理諾貝爾獎。但是之後二十多年金屬的超導體的臨界溫度遲遲無法突破23.2K。
1986 年，瑞士IBM蘇黎士研究所的貝德諾茲(G. Bednorz)和繆勒(A. Muller)發現鑭鋇銅氧類的氧化材料，其 Tc高達35 K。1987年，吳茂昆與朱經武發現 Tc 高達90 K以上的釔鋇銅氧類超導體，首度將 Tc 提高到液態氮溫度(77 K)以上。貝德諾茲和繆勒因此拿到物理諾貝爾獎。這類超導體無法用BCS理論的庫柏對和聲子觀點解釋，稱為高溫超導體(high-temperature super conductor)。朱經武教授的團隊後來改變材料和壓力造出Tc高達145K的超導體，已經高於冷媒(四氟化碳)沸點。因為BCS理論預測聲子和庫柏電子對的作用力愈強，則臨界溫度愈高。因此當高溫超導體的臨界溫度動輒數十度K時，BCS理論已經無法適用。因為要達到那種臨界溫度，需要的聲子和庫柏電子對的作用力會強到讓超導體內部崩潰。因此許多物理學家認為聲子和高溫超導體的超導電流傳遞無關。
康乃爾大學(Cornell University)的J.C. Seamus Davis團隊在自然(Nature)雜誌上發表論文(J. Lee et al, Nature, vol. 442, p.546-550, August 3, 2006)，指出利用電子掃描穿隧顯微鏡(scanning tunneling microscope、STM)來偵測氧化鉍鍶鈣銅高溫超導體(bismuth strontium calcium copper oxide、Bi2Sr2CaCu2O8+)。電子掃描穿隧顯微鏡的探針在氧化鉍鍶鈣銅上面游移，可以偵測從超導體上跳到探針的電子形成的微小電流。研究團隊在超導體不同的位置，改變探針和超導體之間的電壓，然後紀錄電流變化的速率，這樣研究者就能知道探針和超導體之間，有多少個電子能夠躍遷的量子能階。當他們提高電壓，他們觀察到能階數目突然劇減，這個劇減的能量差就是超導能隙(superconducting energy gap)，代表電子形成庫柏對。在能隙的兩端，研究者觀察到「擺幅」(wiggles)，這是聲子和庫柏對子對有作用的特徵。他們用氧同位素18來替換超導體材料中的氧16，結果晶體質量增加，而他們觀察到「擺動」的能量減少，也就是晶格震動的頻率降低，證明和庫柏電子對產生交互作用的是材料的晶格震動，也就是聲子(phonon)。
可是用同位素替換材料中的元素，並不會改變高溫超導體的臨界溫度，這也是為何許多物理學家認為在高溫超導體中，聲子和庫柏電子對的形成沒有關係。不過其它物理學家利用X光測量高溫超導體中的電子速度可以量到電子速率減少，證明了電子和聲子之間有交互作用。 Davis認為，在高溫超導體中，聲子本身不足以促成庫柏電子對的形成，但是晶格震動/聲子卻在高溫超導態佔有重要的地位。
那為何先前的物理學家都沒有觀察到這現象？這主要是因為先前氧化鉍鍶鈣銅高溫超導材料在奈米尺度無法做得非常均勻。這個不均勻會使得材料中不同位置的超導能隙變化極大，這也會使聲子的能量跟著被影響。儀器測量量取的數值是將一段數個奈米以上範圍的測量值做一平均，聲子的能量變化也會因此被平均掉而得到不同的結論。看來聲子在高溫超導態中的地位，還需要更多的實驗才能夠被完全確定。
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