影戏《阿凡达》潘多拉星的空中悬浮的巨石山使人影响深刻，这些巨石中含有一种贵重的矿产，是一种稀有的室温超导体，体现出奇异抗磁性子，于潘多拉星的磁场作用下，便能孕育发生这巨石浮空的情形。

于实际世界中，常压下的室温超导仍旧还没有实现，但其实不故障它成为物理学家心中的“圣杯”，并期待着有一天，它能从荧幕走进实际。

近日，西湖年夜学物理学讲席传授吴参军团队结合北京理工年夜学杨帆传授，以“Interlayer-Coupling-Driven High-Temperature Superconductivity in La3Ni2O7 under Pressure”为题，于《物理评论快报》上揭晓研究结果，他们对于近期发明的镍基La3Ni2O7体系中的高温超导征象，提出了洪特法则帮忙的超导配对于机制，成立了该体系中超导机制的最简模子【1】。此机制今朝已经经开端获得了基在密度矩阵重整化群的数值研究的撑持【2】。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.146002

高温超导：扭转、跳跃、永不断歇

一花一世界，哪怕一个很是小的固体，内里的电子数量也是数以亿万计，多到阿伏伽德罗常数(6×1023)的量级。

就像人类社会同样，电子之间既相互竞争，又彼此互助。于凝结态物理世界，科学家们体贴电子的“社会学”举动，并根究其暗地里的“社会构造”准则。超导征象就是此中一个的卓异问题（outstanding problem）。

超导，指的是于低温的前提下，某些质料的电阻忽然变为零，电流可以于质料中无阻力地流动，不会因电阻而孕育发生热量丧失。零电阻还有余以反映超导的全数性子，超导体还具备彻底抗磁性，也就是说磁场会被排出超导体外。如许磁场会对于超导体孕育发生斥力，可以用来实现磁悬浮。超导最先呈现的温度，叫做超导改变温度。

为何于低温状况下，电阻会消散呢？也就是说电子能于没有电压驱动的环境下，始终流动下去而不会住手。形象地说，这相称在“磨擦力”彻底地消散了，这是不可思议的工作。这不只是凝结态物理，并且是整个物理学，以致整个科学所要体贴的卓异问题。

这是由于超导体中的电子于低温下造成了一种非凡的配对于状况—— “库珀对于”（美国物理学家Leon Cooper于1956年初次提出）。这类配对于是电子于超导状况中可以或许以无阻力的体式格局自由流动的先决前提。正常来讲，库珀对于中的两个电子具备相反的自旋标的目的，一个自旋向上，另外一个自旋向下。这类配对于体式格局有助在降低体系的总能量。

要进入超导状况，光是实现配对于还有余够， 这些库珀对于于相位上必需出现出高度的相关性。打个比喻，原本杂乱无序的电子两两配对于后，需要造成一个“有构造”、“有规律”的方阵，如许的步队使患上电子对于于输运历程中险些不遭到任何拦阻。

而所谓高温超导体，其实不是年夜大都人以为的几baidu高温，只是比拟本来超导所需的超低温度高上很多。由于液氮于工业制备上很是自制，人们把液氮的沸点77K (-196℃）作为一个边界。改变温度于液氮沸点之上的超导体，可以用液氮降温来实现其超导态，这给研究带来很年夜的便当。这种超导体叫做高温超导体，反之，改变温度低在液氮沸点的超导体则叫做低温超导体。

高温超导样品钇钡铜氧

第一类高温超导体——铜氧高温超导体在1986-1987年间被发明，距今已经有三十多年，颠末凝结态物理学们艰辛卓绝的起劲，高温超导的研究已经经取患上很年夜的进展。例如，铜氧高温超导体的超导对于称性已经经被确定为很是规的d波对于称性。可是，高温超导机理研究于很多庞大问题上始终没能造成共鸣，高温超导质料中发明���的年夜量反常量子征象也不克不及于已经有的固体量子理论的框架下获得注释。

去年，中山年夜学物理学院王猛传授团队初次于镍氧化物中发明了到达液氮温度（-196℃）的超导电性。这是人类今朝已经知的第二类到达液氮温区的很是规超导系统。

质料新性子的发明象征着甚么？不单单是多了一种高温超导的质料，对于在理论物理学家而言，更是多了一条新路子去摸索高温超导暗地里的秘密。

西湖年夜学吴参军研究组就是从事镍基高温超导理论研究的团队之一。

洪特法则：磁的魔力转圈圈

吴参军传授，原加州年夜学圣迭戈分校（University of California, San Diego）物理系传授，美国物理学会会士（ American Physical Society Fellow），2021年插手西湖年夜学，任物理学讲席传授。

自2006年最先，吴参军传授最先摸索洪特法则(Hund’s rule )于多体物理中的效应，是于这个标的目的的初期研究者之一。这个研究以期架起局域性子以及全局物理之间的桥梁。

吴参军

他的初期事情把电子轨道的洪特法则，推广到博色原子怎样填充光晶格高能级的简并轨道的问题，获得了针对于博色子的轨道填充的洪特法则，由此致使光晶格格点上的轨道角动量极化【3】。这体现出于非零动量的博色爱因斯坦凝结，从而自觉地粉碎了时间反演对于称性，于空间上体现出涡旋以及反涡旋的交错摆列。使人奋发的是，这些猜测已经经于超冷原子物理试验上被不雅测到。这个征象以及当下对于很是规超导体研究中被广为存眷的配对于密度波，是极其相似的。物理学于差别的系统中体现出惊人的相似性以及普适性。

此外，他还证实了严酷的定理，阐了然洪特法则于铁磁金属造成全局磁化的历程中所起到的主要作用【4，5】, 并体系地研究了居里温度之上的居里-外斯顺磁金属态中的磁临界涨落。

那末，甚么是洪特法则？

电子于原子中不只于缭绕原子核运动（轨道运动），还具备一个量子自由度叫自旋，电子的自旋可以向上或者向下。自旋可以大略患上被理解为电子于绕着本身的轴扭转，可是人们至今没有发明电子有内部布局，如许的图象显然是过在简化的。洪特法则是原子核外电子填充原子轨道的一个纪律，由德国物理学家弗里德里希 洪德提出。每一个原子轨道至多可以容纳两个自旋相反的电子。当电子于能量不异的多个轨道上排布时（如许的轨道被称作是简并的），老是尽可能分占差别的轨道且连结自旋标的目的不异。量子力学的计较注解，如许的排布体式格局总能量最低。

换句话说， 电子以自旋不异的体式格局盘踞差别的简并轨道，直到每一个轨道都至少有一个电子，而且每一个电子的自旋都与其他电子不异。而当每一个轨道内里有两个电子时，因为泡利不相容道理，这两个电子的自旋相反的。

正常来讲，这个法则描写的是单个原子内部的物理，而凝结态物理的焦点是固体内年夜量电子举动所体现出的团体特性。

那末原来描述原子内部物理的洪特法则，将会对于镍基高温超导如许的电子团体举动，起到甚么样的作用呢？

一种可能的La3Ni2O7超导机制：顺藤摸瓜

回到去年发明的镍基高温超导体La3Ni2O7，这是中国科学家于全世界率先发明的全新高温超导系统，象征着为世界超导研究提供了一个新的标的目的。发明至今，已经吸引很多科学家一探此中的高温超导机理，而吴参军团队以及杨帆传授研究的落脚点于洪特法则。

高温超导镍氧化物其电子布局、磁性与铜氧化物不同很年夜。比拟铜基高温超导体，镍基La3Ni2O7拥有一个出格的双层布局，双层内部的瓜葛慎密，而差别的双层之间的布局比力疏松，如许的布局正常称之为准二维布局。一个镍原子上有程度（3dx2-y2.）以及垂直（3dz2）的两个活性轨道。前者于镍氧层内延展，此中的电子很轻易于层内运动；后者延展标的目的垂直在镍氧层，此中的电子很难于层内运动（见图1）。

于双层布局的内部，上下两层的3dz2轨道垂直在镍氧层，它们于层间具备强烈的反铁磁耦合，这象征着两层的3dz2轨道中的电子自旋标的目的相反。它们之间配对于的气力很强，可是因为3dz2轨道于层内的运动很坚苦，难以成立超导所需要的位相相关性。简言之，就是缺乏充足的运动威力于各个配对于之间举行有用的沟通，无法造成一个“方阵”来挪动。

研究团队留意到，反而，程度3dx2-y2轨道于镍氧层内的运动很轻易，这很是好理解，由于这个轨道自己就沿着镍氧平面内延展。但把超导的因由归结在3dx2-y2轨道能带也有一个坚苦：其填充处于极度过掺杂状况，3dx2-y2轨道中的电子配对于异样的幽微。

前面提到过，库珀对于是电子于超导体中可以或许以无阻力的体式格局自由流动的须要前提，没法配对于就象征着没法实现超导，这与质料体现出的高温超导性子不符。

为相识释这个抵牾，研究团队提出将洪特法则引入。

程度轨道3dx2-y2自己难以于层间成立反铁磁耦合，可是洪特法则把此中电子的自旋以及垂直轨道3dz2中的自旋锁定，从而3dx2-y2经由过程3dz2轨道的层间耦合成立了层间反铁磁耦合，其强度很年夜足以撑持高温超导配对于，同时因为3dx2-y2自己易在于镍氧层内运动，可以很轻易地成立相位相关（见图1）。换句话说，洪特法则是位优异的“红娘”，帮忙两层的电子顺遂“牵手”，使患上以后的故事瓜熟蒂落。

这项研究也估计了超导对于称性是层间配对于的s-wave对于称性，这类对于称性较层内配对于的d-wave对于称性而言，更为可能。

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图1. La3Ni2O7具备双层镍氧面的布局。于一个原胞之中的上下两层中各有一个镍原子。每一个镍原子上各有两个活性的轨道3dz2以及3dx2-y2，此中电子的自旋别离用蓝色以及红色箭头来暗示。差别层的两个镍原子的3dz2轨道之间具备强烈的反铁磁耦合，体现于上基层中的两个蓝色箭头标的目的相反。于统一个的镍原子中，分处于两个轨道中的电子的自旋由洪特法则锁定，其箭头标的目的不异。如许，原本3dz2轨道的层间反铁磁耦合，经由过程镍原子内部的洪特法则，通报到3dx2-y2轨道的层间反铁磁耦合，成为3dx2-y2轨道层间库珀配对于的驱动力。

研究团队创举性地援用了洪特法则注释超导配对于机制，摸索了洪特法则于多体物理中的效应，同时，成立了La3Ni2O7体系中超导机制的最简模子，为镍氧化物高温超导征象提供了一种理论注释。

从去年七月尾宣布于arXiv以来，该研究结果于文献以及预印本中已经经被援用跨越了40余次，获得了范畴内的广泛存眷，这于强联系关系物理理论方面很是少见。今朝，已经有好几家研究团队间接接纳了该事情中提出的最小模子作为起点来研究La3Ni2O7中的配对于机制以及超导征象。

吴参军暗示，这个理论的提出是基在科学家的物理直觉、洞察力和须要的计较以及逻辑推理。然而，正如所有科学理论同样，其是否可以或许终极乐成，是否具备普适性，还需要经受范畴内将来试验的查验。

西湖年夜学理学院玻士后卢晨、玻士后潘志明为本论文的配合第一作者；西湖年夜学理论物理讲席传授吴参军、北京理工年夜学杨帆传授为本论文的配合通信作者。

参考文献

[1] Chen Lu, Zhiming Pan, Fan Yang, Congjun Wu，“Interlayer-coupling-driven high-temperature superconductivity in La3Ni2O7 under pressure”，Phys. Rev. Lett. 132, 146002 (2024).

[2] Xing-Zhou Qu, Dai-Wei Qu, Jialin Chen, Congjun Wu, Fan Yang, Wei Li, “Gang Su，Bilayer t-J-J⊥ Model and Magnetically Mediated Pairing in the Pressurized Nickelate La3Ni2O7”, Phys. Rev. Lett. 132, 036502 (2024).

[3] Congjun Wu, ，'Unconventional Bose-Einstein Condensations Beyond the ``No-node'' Theorem' ，Mod. Phys. Lett. 23, 1 (2009).

[4] Yi Li, E. H. Lieb, Congjun Wu, “Exact Results on Itinerant Ferromagnetism in Multi-orbital Systems on Square and Cubic Lattices”, Phys. Rev. Lett. 112, 217201 (2014) .

[5] Shenglong Xu, Yi Li, Congjun Wu，“Sign-Problem-Free Quantum Monte Carlo Study on Thermodynamic Properties and Magnetic Phase Transitions in Orbital-Active Itinerant Ferromagnets”，Phys. Rev. X 5, 021032, (2015) .

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