多种被称为“铜氧化物”的材料中存在着一种普遍量子现象

近日，一篇发表在《自然·物理》上的论文表明：多种被称为“铜氧化物”的材料中存在着一种普遍量子现象。在铜氧化物中的电子似乎会尽可能快地耗散能量，并且耗散过程明显趋于一个基本的量子速度极限。

而之前的研究（尤其是2013年《科学》杂志上的一篇论文）发现其他奇异超导化合物——钌酸锶（Sr2RuO4）、氮族盐类、四甲基四硫富瓦烯等——也会以似乎是最大允许速率耗散能量。

这使物理学家越来越相信，一种未知的组织原理支配着粒子的集体行为，并决定着它们如何传播能量和信息。哈佛大学理论物理学家Subir Sachdev认为，理解这种组织原理可能是进入“量子奇异性最深处”的关键。

引人注目的是，这个速度极限与一个量子力学的基本量、代表自然中能够发生的最小可能作用量——普朗克常数的数值有关联（普朗克常数在不久前被用来重新定义其“千克”）。进行了此次实验的凝聚态物理学家Louis Taillefer说：”当你看到这个结果的时候，就知道自己正在触及一些非常深刻和基本的东西。”

当铜氧化物和其他奇异化合物处于奇异金属相时，会比传统金属更加强烈地阻碍电流流动，因而出现这种燃烧能量的行为。但是，当它们被冷却到临界温度时，却会转变成完美的、不损耗电的超导体。32年来，物理学家一直试图理解和控制超导电性这种强大的形式，而奇异金属相中的电子行为越来越被视为其中的关键部分。

电子在奇异金属中的行为究竟是怎样的？人们还不清楚，这真的是一个重大的谜团。但专家们猜测，电子或许会自组织为一种“最大混乱”的量子态，其中每一个电子的性质依赖于其他每一个电子的性质。这种最大混乱的状态可能允许电子彼此散射，并在量子力学定律允许的范围内尽快传播能量。

这种混乱的状态是极端的量子奇异性。20世纪30年代时，爱因斯坦对两个粒子纠缠在一起、即使相距很远时其性质仍然相互依赖的想法感到愤怒。然而，对于奇异金属，有数百万个电子纠缠，进而导致整个的物质状态，这真的是探索量子纠缠的前沿。

理论物理学家Sean Hartnoll说：“这个实验指向材料间一种惊人的普遍性，这将牵涉到量子力学和统计力学中一个深刻的想法。”发现这个深刻想法的努力已经揭示出与黑洞、引力和量子信息论之间惊人的联系。

奇异金属

1986年，苏黎世IBM研究中心的贝德诺斯（Georg Bednorz）和穆勒（Alex Müller）革命性地合成了第一种铜氧化物（LBCO，由镧、钡、铜、氧四种原子构成），并发现了所谓的“高温超导”——他们注意到新发现的晶体具有一些奇怪的性质，当他们将铜氧化物冷却到临界温度时，观察到这种晶体的电阻随温度的降低线性地降低，因此绘图时会形成一条向下的直线。对于传统的材料，温度和电阻的关系会形成更为复杂的曲线。

○在铜这样的常规金属中，电流可以被认为是大量单个电子的流动。因为电子相互散射导致的对电流的阻碍，也就是电阻，通常随着温度的平方增加。

当时，这一观察结果被一项更引人注目的结果所掩盖——贝德诺斯和穆勒发现的铜氧化物的超导性有着比此前认为可能的更高的临界温度，这一发现迅速为他们赢得了诺贝尔物理学奖，并引发了对类似材料的热烈探索。当时在贝尔实验室工作的物理学家Joseph Orenstein说：“那是一个相当疯狂的时代，整个领域变得疯狂。”

其他实验室很快发现了有着更高超导临界温度的铜氧化物和其他化合物。从那时起，物理学家们就梦想着一路高歌猛进，找到或合成一种能够在室温下具有超导电性的材料。这种材料可以极大地提高人类电力基础设施的效率，还可以为磁悬浮车辆提供动力，从而彻底变革我们的生活方式。

但是要创造高温超导体，物理学家们必须加强将电子束缚在一起的胶合力，使电子能够毫不费力地传递电荷。问题是，研究人员首先要弄清楚这种胶合力到底是什么。各种理论层出不穷，但铜氧化物和其他高温超导体的惊人复杂性，使所有的尝试都失败了。

随着时间的推移，这幅模糊图景的一部分变得清晰起来：贝德诺斯和穆勒在第一种铜氧化物中观察到的电阻率与温度那神秘的线性关系，在其他铜氧化物和材料开始显现超导电性之前持续出现。

○研究人员提出理论认为，奇异金属中的电子处于高度纠缠的量子态。它们的电阻随温度线性增加，且直线的斜率接近于普朗克常数的数值，对于所有奇异金属都相同。这表明，电子是在以物理学定律所允许的最大速率耗散能量。（B：普朗克耗散）在冷却到临界温度以下时，奇异金属转变为具有零电阻的完美导体。（A：超导电性）

这种行为开始与在某种程度上似乎是超导性基础的奇异金属相逐渐被关联起来。奇异金属相不仅会在临界温度转变到超导状态，而且在磁场破坏超导态的情况下，奇异金属相在较低温度下仍然存在。

超导态和奇异金属相似乎在相互竞争，而临界温度则是两者之间的临界点。要提高超导临界温度，物理学家需要同时了解这两个相。Hartnoll说：“或许只有当我们理解了超导性从中显现的奇异金属相，我们才能够理解为什么铜氧化物的超导临界温度很高。“

Taillefer表示，材料电阻率和温度的线性关系表明，存在一个美丽、简单、有力的定律，必然有一个简单、深刻的理论解释。

从1990年开始，研究人员开始找到线性电阻率的量子性质的证据。那一年，Orenstein和他在贝尔实验室的同事研究了一种名为钇钡氧化铜（YBCO）的物质，他们发现，与贝德诺斯和穆勒的样品（LBCO）一样，当YBCO被冷却到临界温度时，其电阻线性地降低。

通过使用交流电，他们能够测量材料中电子相互散射的速率，也就是电阻的来源。他们发现，代表电子散射速率和温度关系的直线斜率，惊人地接近基本常数ħ，也就是约化普朗克常数。在量子力学中，ħ表示最小的可能作用量，也就是能量乘以一个时间量。

Orenstein说：“当时我认为这很有趣，但是，我没有想到，30年后，这仍会是一个完全未被解释的谜团，而且与黑洞和信息论联系了起来。”

2013年《科学》杂志上的那篇论文和最近《自然·物理》的研究表明，在奇异金属中，将电子散射率与温度联系起来的直线斜率总是相同的，那就是ħ。

量子速度极限

2004年，荷兰理论学家Jan Zaanen将这种奇特的现象命名为普朗克耗散（Planckian dissipation）。他在《自然·新闻与观点》的一篇文章中指出，这些材料中的电子，以及有时被称为“量子汤”的其他奇异物质状态中的电子，在耗散能量的速率方面，都在一个基本的量子速度极限。

“如果在高速公路上，所有车都以相同的速度行驶，那并不是因为它们的发动机相同，而只是因为存在一个速度限制。” Hartnoll解释道。

为了理解为什么奇异金属中的电子会向上抵达推定的速度极限，理论物理学家想弄清楚这个速度极限是从哪里来的。最好的论据将速度极限追溯到海森堡不确定性原理，不确定性原理为我们对世界的确定性——或者一个等价的说法是，世界本身具有的确定性——设定了一个上限，而这个上限就是由ħ决定的。

普朗克常数h于1900年由普朗克构思，后来被狄拉克表达为约化形式ħ（=h/2π ），ħ出现在量子理论的各处。ħ的数值极小，代表着作用量的量子单位，但是除此之外，如海森堡表明的那样，ħ也是不确定性的量子单位：自然中不可避免的、本质的模糊性。

当你试图同时测量两个物理量时，就会出现这种模糊性：例如，一个粒子的位置和动量，或者它拥有多少能量并能保持多长时间。换句话说，位置和动量不可能以高于ħ的准确性被同时确定，能量和时间也不可以。当你对其中一个物理量知道得越多，对另一个物理量就越不确定。

Hartnoll解释说，物理学家的猜测是，奇异金属中的电子可能以符合不确定原理的最快速度耗散。电子拥有与奇异金属的温度成正比的能量，而耗散是一个持续特定时间的过程。根据不确定性原理，时间和能量不能同时以任意精度被确定，因此，或许当耗散时间尽可能短时，就会出现普朗克耗散。

Hartnoll承认，这只是一个粗略的设想。他和其他理论物理学家希望更严格地证明量子约束，这或许有助于阐明，为什么铜氧化物等材料中的电子群会如此自然地到达量子约束。

全息对偶

在过去几年里，Hartnoll、Sachdev和其他理论物理学家一直在尝试用一种令人惊讶的“全息对偶”（holographic duality）来解决这个问题，全息对偶在数学上把混乱的量子粒子系统（如奇异金属中的电子）与高一个维度中的假想黑洞联系起来。（黑洞会像全息图一样从粒子系统中弹出。）

值得注意的是，物理学家发现，黑洞——密度大得令人难以置信的球形物体，它的引力如此之大，以至于光都无法逃逸——进行着与普朗克耗散相当的过程：对于能够多迅速地弄乱落入其内部的信息，黑洞也会达到一个极限。

换句话说，黑洞和奇异金属以某种共同的方式走向极端。全息对偶性使得研究人员能够将黑洞的性质转化为混乱粒子系统的对偶性质。他们希望，这将揭示电子在奇异金属中到底在做什么，在相互竞争的超导相和奇异金属相中发生着什么，以及如何打破两者之间的平衡，将超导性扩展到更高的温度。

运用全息对偶性等方法研究混乱电子的行为的过程中，研究人员已经取得了一些进步，对系统有了局部洞察力。一些人认为该领域正处于概念突破的边缘。Hartnoll在谈到普朗克耗散现象时说：“我认为，普朗克耗散现象或许将很快被理解。”