物理学家点燃量子波动变相研究革命

来源:布莱恩·大卫·史蒂文斯

吉尔伯特·朗扎里奇在1989年视网膜脱离手术后失明了一个月。没有恐惧和沮丧，剑桥大学的凝聚态物理学家抓住这个“机会”，邀请学生回家，分享他如何适应盲目生活的经验。

安德鲁·麦肯齐(Andrew Mackenzie)是朗扎里奇的学生，也是德国马克斯·普朗克固体化学物理研究所的主任，他回忆道，朗扎里奇对这一经历的反应完美地“捕捉”了他的生活方式。“吉尔是我见过的最活跃的人之一。他对一切都感兴趣。”他说。

40多年来，这种乐观和好奇让朗扎里奇以他从未想过的方式探索材料。在20世纪90年代的开创性实验中，他的研究小组证明了在极端压力下将磁性化合物推向接近绝对零度，可以使其中一些化合物导电且没有电阻。

这是对传统习俗的公然宣战。人们一直认为磁性和超导性永远不会混合。“这就像你在谈论外星人的发现，”剑桥大学的马尔特·格罗舍说，他是朗扎里奇的同事。

这项工作向物理学家展示了一种发现超导体的新方法。超导体是核磁共振成像器和粒子加速器的核心。近年来，它为某些材料在远高于绝对零度的温度下仍是超导体提供了一种可能的解释，这将为开发高效廉价的室温超导设备铺平道路。

但是这些实验的影响远远超出了超导性。朗扎里奇将材料置于极端条件下的方法已经成为发现新材料状态的一般方法。在世界范围内，物理学家现在正在使用这种方法来探测一系列电子的集体相互作用会导致异常行为的材料。这些现象中的一些可能会对计算机产生革命性的影响。

朗扎里奇的研究在他的领域可能是传奇，但这位物理学家的谦虚和慷慨是受人尊敬的。每个认识他的人都知道朗扎里奇是一个“不知道时间”的人。与他的随意交谈很容易变成一个小时的物理、哲学、政治和历史旅行。

"你很可能会错过午餐。"剑桥大学的同事迈克尔·萨瑟兰说，“但这可能是你一周中最有效率的时间。”

72岁的朗扎里奇现在在剑桥量子材料集团有一份兼职工作，但是他仍然试图通过将材料推向更极端的方式来寻找新的发现。他相信这个很少探索的领域，像粒子对撞机的高能实验，可以解决物理定律，并期待更多的发现。"吉尔从没想过我们只是在补充细节."新泽西州罗格斯大学的理论物理学家皮尔斯·科尔曼说，“他认为量子物质的探索是一个真正的前沿。”

赞美集体

在剑桥大学三一学院(trinity college，cambridge university)，Lonzarich热情地谈论他的同事们令人印象深刻的工作，但当话题转到他自己的成就时，Lonzarich变得沉默了。他说，人类的天性是赞美英雄，但科学是一项集体活动，挑出一个人来赞美会杀死一个团队。

尽管同事们很快就强调了朗扎里奇的影响，但他从未这样想过。这种做法可以追溯到在伊斯特拉半岛长大的意大利父母。他回忆说，他的父亲告诉他“切大块馅饼给他人吃。”

他9岁时，他的家人搬到了美国。到了20世纪60年代，朗扎里奇已经成长为一个勤奋的年轻人。他对物理学的兴趣始于加州大学伯克利分校，在那里他获得了文科学位，但也遇到了1967年结婚的盖里·西蒙斯。

“我碰巧看到了他当年的照片。他留着长发，是一个身体嬉皮士。”科尔曼说。然而，朗扎里奇坚信人们应该挑战*，对*使用毒品和抛弃家庭感到失望。"我希望做一些真实的事情，过上好日子."他说。

在明尼苏达大学呆了一段时间后，Lonzarich夫妇离开了美国，来到加拿大不列颠哥伦比亚大学。在凝聚态物理学家安德鲁·戈尔德的新实验室攻读博士学位时，朗扎里奇爱上了磁力。1976年，当他去剑桥大学工作时，他发现了自己的新“大陆”。这里的大学没有等级制度，但是有两位凝聚态物理大师——布莱恩·皮帕德和大卫·休伯格。

朗扎里奇想研究磁铁。他的方法最初吸引了一些注意力:他发明了自己的数学符号，花了几周时间准备实验，但似乎他什么也没做。但是他的方法很快就开始奏效了。

1994年，Lonzarich发表了一篇论文，描述了一种新的超导体，并提供了寻找其他超导材料的路线图。今天，物理学家仍然用这种方法将磁性材料的相变推到绝对零度，看看超导行为是否会发生。

新“王国”

量子临界点及其周围的强量子相互作用会产生其他奇怪的状态，不仅仅是超导。剑桥大学的物理学家斯蒂芬·罗利说:“这就像是发现物质新状态的温床。”现在，全世界的物理学家都在操纵一系列不同的因素——压力、磁场和化学成分——来推动相变在超低温下发展，从而达到量子临界点。

在20世纪90年代后期，这种方法导致了朗扎里奇和当时的学生克里斯蒂安·普弗雷德勒发现了硅化锰的奇怪行为。过去几年的实验表明，这可能与旋转的二维磁涡流有关，也就是所谓的“乙状结肠”，现在被吹捧为一种存储信息的超高效方式。

通过探测氧化锶的量子临界点，麦肯齐的团队在2007年证实了物质中存在一个新的阶段，在这个阶段中，电子流动但仍显示出有序的空间结构。

同事们经常说朗扎里奇是独一无二的。他不仅是一位优秀的理论家，也是一位杰出的实验家。朗扎里奇将样品的纯度提高到了极致，并开创了一种称为量子振荡的技术，这种技术使物理学家能够确定复杂的相互作用系统的电子结构。

剑桥大学卡文迪许实验室高压实验室的负责人帕特里夏·阿里雷扎说，朗扎里奇经常鼓励她发明能够压缩样本的设备，这远远超出了人们的想象。她说:“吉尔会笑着说，我想我们可能会做得比这好100倍。”

伦敦的许多学生在物理方面有所进步。例如，苏奇特拉·塞巴斯蒂安说她可能会在没有他建议的情况下离开这个领域。“他不仅教你如何做物理，还教你如何生活在物理世界中。”

朗扎里奇谦虚地说，他认为自己对学生的成功贡献不大。他就像其他人一样教书。

罗利说他总是给人们时间。派恩斯补充说，这有助于他摆脱不必要的官僚作风。"他有许多不同的办公室，所以他总是可以躲在其中一间里。"

然而，朗扎里奇可以*思考，并且非常依赖他妻子盖瑞的支持。她确保资金申请按时提交，并确保他能赶上航班。他说他的妻子就像太阳:“它是如此之大和重要，以至于有时你会忘记它是一切的根源。”

寻找新的边界

在过去的几年里，朗扎里奇关于超导性和磁性之间紧密联系的观点获得了新的意义。物理学家用BCS理论来解释传统的超导性。这个理论认为，某些材料中电子的加速会在原子晶格后面产生带正电的扭曲。这吸引了第二个电子。如果有足够多的这种相对稳定的铜配对形式，它们就会形成一种有序的状态，在这种状态下，两个电子保持在一个通道中，并且在没有阻力的情况下流动。

但这不能解释氧化铜和铁基半导体。这两种超导体可以在高达133开尔文的温度下不受阻碍地导电。如果这种转变能够提高到室温——大约300开尔文，这些超导体可以用于更便宜的能源、医疗成像和运输设备。但是关于它们如何工作的争论已经持续了30年。

从一开始，一些阵营就认为磁场的相互作用可以将电子结合在一起，从而在氧化铜中产生超导性。Lonzarich推测磁性胶可能来自反铁磁物质的量子临界点附近增加的量子涨落。

这个想法已经被热烈地讨论过，并且在去年由泰勒费尔团队进行的实验中已经获得了一些支持性的证据。该团队发现，用强磁场剥离铜酸盐的超导性并增加杂质含量将导致急剧的相变——另一个隐藏的量子临界点。

朗扎里奇说，宇宙比大多数科学家想象的要丰富。每一种新发现的物质状态只有在条件合适时才会出现，而且物质是完全纯净的。朗扎里奇推测，探索这些状态的边界可能会揭示更多的阶段。"如果每个量子临界点只是下一代的开始呢？"他说。(唐毅宸编译)