伊利诺伊大学格兰杰工程学院 传统金属超导态与掺杂莫特绝缘体超导态的比较
在香港模型中两个能带的存在将两者分开，并且在每个能带上形成超导能隙
信用:菲利普斯等
伊利诺伊物理 在金属中首次发现超导45年后，1957年伊利诺伊大学厄巴纳-尚佩恩分校的巴丁-库珀-施里弗超导理论最终解释了产生超导的物理学
在这一基准成就30年后，凝聚态物理学家面临一个新的谜团:1987年氧化铜或高温超导体的发现
现在通常被称为铜酸盐，这种新的材料展示了直接属于BCS理论之外的物理学
铜酸盐在室温下是绝缘体，但在比传统BCS超导体高得多的临界温度下转变为超导相
(铜酸盐的临界温度可能高达170开尔文——也就是-153
67华氏度(相对于4开尔文的低得多的临界温度)或-452华氏度
47F——对于水银，一种BCS超导体
) 30多年前高温超导体的发现似乎预示着一系列新技术即将出现
毕竟，铜酸盐的超导阶段可以用液氮作为冷却剂来实现，而不是用昂贵得多的稀有液氦来冷却超导体
但是，直到这些绝缘体的不寻常和意想不到的超导行为可以从理论上得到解释，这个承诺仍然在很大程度上没有实现
大量的实验和理论物理研究试图揭示铜酸盐中超导性的令人满意的解释
但是今天，这可能仍然是凝聚态物理中最紧迫的未解决的问题
伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校物理系凝聚态理论研究所(ICMT)的一组理论物理学家，在伊利诺伊大学物理学教授菲利普·菲利普斯的带领下，第一次准确地解决了铜酸盐问题的一个代表性模型，即1992年掺杂莫特绝缘体的Hatsugai-Kohmoto(香港)模型
该团队已经在2020年7月27日的《自然物理学》杂志上在线发布了他们的发现
菲利普斯解释说:“除了超导温度的明显差异之外，铜酸盐一开始是莫特绝缘体，在这种绝缘体中，电子不像在金属中那样独立运动，而是强烈相互作用。”
“正是强大的相互作用使它们绝缘得如此之好
" 在他们的研究中，菲利普斯的团队精确地解决了类似于BCS理论中的“库珀配对”问题，但现在是掺杂的莫特绝缘体
什么是「库珀配对」？莱昂·库珀展示了BCS理论的关键要素:传统超导金属的正常状态对于电子对之间的吸引相互作用是不稳定的
在BCS超导体的临界温度下，库珀电子对在金属中无阻力地行进——这就是超导性！ 菲利普斯指出:“这是第一篇论文，准确地表明库珀不稳定性甚至存在于掺杂莫特绝缘体的玩具模型中。”
“由此我们表明超导性是存在的，并且其性质与标准的BCS理论有很大的不同
这个问题被证明是如此困难，在我们的工作之前，只有数值或暗示性的现象学是可能的
" 菲利普斯认为ICMT博士后埃德温·黄为莫特问题写了超导态的BCS波函数的模拟
菲利普斯说:“波函数是你必须说问题已经解决的关键。”
“约翰·罗伯特·施里弗的波函数变成了整个BCS理论的计算工具
所有的计算都是用它完成的
对于相互作用的电子问题，写波函数是出了名的困难
事实上，到目前为止，只计算了两个描述物质相互作用状态的波函数，一个由罗伯特·拉夫林在分数量子霍尔效应中计算，另一个由施里弗在BCS理论中计算
所以埃德温能够解决这个问题的事实是相当了不起的
" 当被问及为什么铜酸盐对物理学家来说如此神秘时，菲利普斯解释道:“事实上，正是莫特态的强相互作用阻止了铜酸盐超导问题的解决
在掺杂莫特绝缘体的任何模型中，甚至很难证明库珀配对问题的模拟
" 黄的莫特绝缘体波函数进一步使菲利普斯、黄和物理学研究生卢克·杨解决了铜酸盐中的一个关键实验难题，即所谓的“颜色变化”
与金属不同，铜酸盐在低能量时对辐射的吸收增强，而在高能量时吸收随之减少
菲利普斯的团队已经表明，这种行为源于菲利普斯所说的超导状态下的“莫特物理”或“莫特”的残余
莫特是菲利普创造的一个术语，用来概括莫特绝缘体的某些集体属性，第一次是在二战后不久由英国物理学家和诺贝尔奖获得者内维尔·弗朗西斯·莫脱预言的
此外，研究人员还表明，超流密度也是材料斑驳的直接后果，相对于超流密度在金属中的价值，超流密度在铜酸盐中被抑制
此外，菲利普斯的团队已经超越了库珀问题，证明了该模型具有超导性质，超出了BCS理论的范围
“例如，”菲利普斯解释说，“超导态的转变温度与能隙之比大大超过了BCS理论中的值
此外，我们的工作表明，超导态中的基本激发也位于BCS范式之外，因为它们来自莫特态固有的宽范围的能量尺度
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