物理學家點燃量子波動變相研究革命

Gilbert Lonzarich

　　1989年，視網膜脫落手術后，Gilbert Lonzarich失明了一個月。沒有恐懼或沮喪，這位英國劍橋大學凝聚態物理學家抓住了這次“機會”，邀請學生到家里，分享自己如何適應失明生活的體驗。

　　Lonzarich的一名學生、德國馬普學會固體化學物理研究所所長Andrew Mackenzie回憶道，Lonzarich對這一經歷的反應完美地“捕捉”了他的生活方式。“Gil是我見過的最積極的人之一。他對一切都感興趣。”他說。

　　40多年來，這種樂觀和好奇心讓Lonzarich以一種從未想過的方式探索材料。在20世紀90年代的開創性實驗中，他的研究小組證明，將磁化合物推到極限壓力下，并接近絕對零度，可以使其中一些導電且沒有電阻。

　　這是在向傳統慣例悍然宣戰，人們一直認為宣稱磁性和超導性永遠不會混合在一起。Lonzarich的同事、劍橋大學的Malte Grosche說：“這在當時就像你現在談論發現外星人一樣。”

　　這項工作向物理學家們展示了一種尋找超導體的新方法。超導體是核磁共振成像器和粒子加速器等技術的核心。近年來，它為有些材料在溫度遠高于絕對零度下仍是超導體的原因提供了可能的解釋，這將為開發高效、廉價的室溫超導設備鋪平道路。

　　但是這些實驗的影響遠遠超出了超導性。Lonzarich將材料置于極端條件的方法已經成為發現新物質狀態的一般方法。在世界范圍內，物理學家現在使用這種方法探測一系列電子的集體相互作用可以導致不同尋常行為的材料。而其中一些現象可能會對計算機產生革命性影響。

　　Lonzarich的研究在其領域中可能是傳奇，但這位物理學家的謙遜和慷慨令人尊敬。認識他的人都知道，Lonzarich是“不知道時間”的人，與他的隨意交談很容易變成1小時的物理、哲學、政治和歷史遨游。

　　“很可能會錯過午飯。”劍橋大學同事Michael Sutherland說，“但這可能是你一周中最有效率的幾個小時。”

　　現年72歲的Lonzarich現在在劍橋量子物質集團有一份兼職工作，但他仍在通過將材料推向更大的極端以獲得新發現。他認為這個很少被探索的領域，就像對粒子對撞機的高能實驗一樣，能解開物理定律，并期望有更多發現。“Gil從來沒覺得我們現在只是在填寫細節。”美國新澤西州羅格斯大學理論物理學家Piers Coleman說，“他把對量子物質的探索視為一個真正的前沿。”

　　贊美集體

　　在劍橋大學三一學院，Lonzarich熱情洋溢地談到了同事們令人印象深刻的工作，但當談話轉向他自己的成就時，Lonzarich變得沉默寡言。他說，人類的天性就是贊美英雄，但科學是一種集體活動，挑出一個人來贊美會扼殺一個團隊。

　　盡管同事們很快就強調了Lonzarich的影響力，但他從不這樣想，這種做法可以追溯到在伊斯特拉半島長大的意大利父母。他回憶說，父親告訴他“要把大塊餡餅切給別人吃”。

　　他的家人在他9歲時搬到了美國。到了20世紀60年代，Lonzarich已經成長為一個勤奮好學的年輕人。他對物理學的興趣始于加州大學伯克利分校，在那里他獲得了文科學位，但也遇到了Gerie Simmons，并在1967年結婚。

　　“我偶然看到過他那些日子的照片，他留著長發，是一個物理嬉皮士。”Coleman說。但Lonzarich強烈認為人們應該挑戰政府，并對自由使用毒品和拋棄家庭感到失望。“我希望能做些實實在在的事情，好好生活。”他說。

　　Lonzarich夫婦在明尼蘇達大學度過了一段時間后，離開了美國，來到加拿大不列顛哥倫比亞大學。在凝聚態物理學家Andrew Gold的新實驗室里攻讀博士學位時，Lonzarich迷上了磁力。1976年，當他去劍橋大學工作時，他發現了自己的新“大陸”。這里的學院沒有等級制度，卻有兩為凝聚態物理大師——Brian Pippard和David Shoenberg。

　　Lonzarich想要研究磁體。他的方法起初引起了一些關注：他發明了自己的數學符號，并需要花數周準備實驗，但看起來似乎什么也沒做。但他的方法很快就開始奏效了。

　　1994年，Lonzarich發表論文描述了一類新的超導體，并提供了一個路線圖尋找其他超導材料。今天，物理學家仍按該方法將磁性材料的相變推到絕對零度，以觀察超導行為是否會出現。

　　新“王國”

　　量子臨界點以及圍繞它發生的強量子相互作用，可以產生其他奇異的狀態，不僅僅是超導性。劍橋大學物理學家Stephen Rowley說：“這就像是發現物質新狀態的滋生地。”現在，世界各地的物理學家都在操縱一系列不同的因素——壓力、磁場和化學成分——推動相變超更低的溫度發展，從而達到量子臨界點。

　　20世紀90年代末，這種方法讓Lonzarich和當時的學生Christian Pfleiderer發現了硅化錳材料的奇怪行為。過去幾年的實驗已經暗示，這可能與旋轉的二維磁渦旋有關，也就是所謂的“斯格明子”，現在被吹捧為一種超級高效的存儲信息方式。

　　通過探測氧化鍶的量子臨界點，2007年Mackenzie團隊證實了物質存在一個新階段，在這個階段中，電子會流動，但仍然顯示出有序的空間結構。

　　同事們常說，Lonzarich是獨一無二的，他不僅是一個優秀的理論家，也是一個杰出的實驗者。Lonzarich將樣本增加到極端的純度，并開創了一種名為量子振蕩的技術，這使物理學家能確定復雜、相互作用的系統的電子結構。

　　劍橋大學卡文迪什實驗室高壓研究室負責人Patricia Alireza表示，Lonzarich經常鼓勵她創造能把樣本壓縮得遠遠超出人們想象的設備。她說：“Gil會微笑著說，我認為我們可能做得會比這好100倍。”

　　Lonzarich的許多學生在物理學上不斷前進。例如，Suchitra Sebastian說，如果沒有他的建議，她可能會離開這個領域。“他不僅僅在教你們如何做物理，還包括如何在物理世界中生存。”

　　而Lonzarich謙虛地說，他不認為自己對學生的成功有多大貢獻，他只是和其他人一樣教課。

　　Rowley說，他總是給人們的一個東西就是時間。Pines補充道，這有助于他擺脫不必要的官僚主義。“他有很多不同的辦公室，所以他總是可以躲在其中一個辦公室里。”

　　但Lonzarich能自由地思考在很大程度上依賴妻子Gerie的支持。她確保撥款申請按時提交，保證他趕上航班。他說妻子就像太陽一樣：“這么大，而且很重要，甚至有時你會忘記這是一切所在的根源。”

　　尋找新邊界

　　在過去幾年里，Lonzarich關于超導和磁性之間密切聯系的想法獲得了新的意義。物理學家使用BCS理論解釋了傳統的超導性。這個理論認為，一個電子在某些材料中加速，會在原子晶格后面產生一個帶正電的扭曲。這就吸引了第二個電子。如果這些相對穩定的“庫珀配對”形式足夠多，它們就形成了一個有序的狀態，在這個狀態下，兩個電子保持在一條航道，并無阻力地流動。

　　但這不能解釋銅氧化物和鐵基半導體。這兩類超導體可以在溫度高達133開爾文下無阻導電。如果這樣的轉變可以提高到室溫——大約300開爾文，這些超導體就可以用于更便宜的能源、醫療成像和運輸設備。但是關于它們如何工作的爭論已經持續了30年。

　　一開始，就有陣營認為，磁場的相互作用可以使電子結合在一起，從而在銅氧化物中產生超導性。Lonzarich推測，這種磁性膠可能來自于在反鐵磁性物質量子臨界點周圍增加的量子波動。

　　這一想法在被人們熱烈討論，并在去年Taillefer團隊進行的實驗中獲得了一些支持證據。該小組發現，用強大的磁場剝離銅酸鹽的超導性，并增加不斷增加的雜質含量，會出現一個急劇的相變——另一個隱藏的量子臨界點。

　　Lonzarich說，宇宙比大多數科學家所認為的更富有。每一個新發現的物質狀態只有在條件合適時才會出現，而物質是完全純凈的。Lonzarich推測，探索這些狀態的邊界可能會揭示更多相位。“如果每一個量子臨界點僅僅是另一代的開始呢?”他說。