当BCS理论向科学家们交出一份关于超导的近乎完美的答卷时,超导的故事似乎转入了一个意想不到的环节。1986年,德国物理学家J.G.Bednorz和瑞士物理学家发现镧钡铜氧超导体的临界温度高达37K,这在超导世界里是前所未有的高临界温度,两位科学家次年就因此获得了诺贝尔物理学奖。之后,超导体的临界温度不断刷新,现在已经达到了164K[9]。至今,科学家依旧未能寻找到破解高温超导机制的密码,这无疑成为了凝聚态物理学的最大谜团之一,这也成为我们孜孜不倦地探索超冷世界的动力源泉之一。
还有一个意外的发现,1971年,三位美国物理学家DavidM.Lee,DouglasD.Osheroff和RobertC.Richard发现液3He在极低温度3mK下具有三个反常相,且每个相都表现出超流特性,为此,三位物理学家荣获1996年的诺贝尔物理学奖。众所周知,3He是费米子,本不应该产生BEC的,换个角度来说,它不应具有超流特性,那液3He又为何具有超流特性?这个问题留到下一节来回答。
1.2玻色-爱因斯坦凝聚
于物理学界来说,1995年注定是不平凡的一年,物理学家们在实验室中实现了70年前的预言——玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)。那一年,得益于碱金属原子的激光冷却和囚禁技术的发展,美国科罗拉多大学实验天体物理联合研究所(JILA)、美国莱斯大学(Bradley小组)、麻省理工学院(MIT)(Davis等人)分别独立地在实验上观察玻色-爱因斯坦凝聚现象。
BEC是爱因斯坦在印度物理教师玻色所做工作的基础上提出的,该理论预言,当温度足够低时,玻色粒子将聚集在一种尽可能低的能量状态。接下来简单地讨论一下BEC的推导过程。
自然界中,将粒子分为玻色(Bose)子和费米(Fermi)子,自旋度为整数,服从玻色-爱因斯坦分布;费米子自旋度为半整数,服从费米-狄拉克分布。