中国科学技术大学干部培训

5月23日，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心陈启瑾和美国芝加哥大学的王志强、Shuolong Yang、K. Levin、达特茅斯学院的Rufus Boyack等，应邀在最新一期《现代物理评论》(Reviews of Modern Physics)上发表长篇综述文章，题为“当超导电性实现渡越：从BCS超导到玻色-爱因斯坦凝聚”（When superconductivity crosses over: from BCS to BEC）。该论文系统地阐述了BCS-BEC渡越超导理论，指出含有赝能隙的强配对超导是比著名的巴丁-库柏-喜瑞佛（Bardeen-Cooper-Schrieffer, 即BCS）超导理论所涵盖的更广泛的超导形式。这里BEC代指玻色-爱因斯坦凝聚（Bose-Einstein condensation）。近年来，科学家在天然和人工合成材料中发现了一系列新型非常规超导体，包括有机超导体、铁基超导体、魔角石墨烯超导体、门控半导体超导、表面和界面超导体等。文章对这些新的实验发现进行了系统的分析和评述，指出它们属于BCS-BEC渡越型超导，电子配对强度介于BCS和BEC这两端极限的中间过渡区，呈现有明显的赝能隙现象，并给出了相关实验判据。此外，文章讨论了铜氧化物高温超导体属于BCS-BEC渡越型超导的实验证据。

超导电性自1911年被H.K. Onnes等人发现以来，对物理学的发展产生了巨大影响。除凝聚态之外，超导配对理论在基本粒子和核物理等其它领域也有重要应用。1957年，BCS超导理论成功地解释了基于电子-声子相关作用的常规超导电性，认为在临界转变温度Tc之下，电子通过有效的吸引相互作用形成库柏对从而实现动量空间的凝聚，并在电子激发谱中形成一个超导能隙。然而，1986年铜氧化物高温超导体的发现，打破了这一理论描述。对于高温超导体，在转变温度Tc之上就反常地出现了配对能隙，被称为赝能隙。此后，如何理解高温超导机理及其赝能隙现象成为了一个夸世纪的重大物理难题。在此基础上，由诺贝尔物理学奖获得者A.J. Leggett于1980年提出的BCS-BEC渡越理论引起了人们的高度重视，作为几种主要的高温超导备选理论之一得到了大力发展，并被推广应用于超冷费米原子气体、核物质、夸克胶子等离子体等研究领域。根据这一理论，随着配对相互作用的增强，电子可以在较高的温度下呈现配对关联甚至实现预配对，从而导致在电子激发谱中出现赝能隙。当配对相互作用足够强时，可以在高温区即实现电子的全部配对。这些电子对可以看作是波色子，从而随温度降低实现玻色-爱因斯坦凝聚。新世纪以来，这一基于BCS-BEC渡越的超导理论图像在冷原子费米气体超流中被实验实现，之后获得广泛的认可。近年来，越来越多的新型超导体被制备和发现，因此，如何把人们对BCS型超导电性的理解扩展到这些令人激动的新型超导材料上是物理学界的一个重要课题。部分材料具有明显的BCS-BEC渡越的特征，可以称之为BCS-BEC渡越型超导体。如今直接在大量新超导材料中观测到相关实验证据尤其令人振奋，对于超导电性的研究具有重要意义。

长期以来，中国科学技术大学陈启瑾教授及其合作者们在高温超导领域的理论研究中做出了重要贡献。陈启瑾和K. Levin团体发展了基于BCS-BEC渡越图像的配对涨落理论 [Phys. Rev. Lett. 81, 4708 (1998)]，对高温超导中的反常赝能隙现象给出了一种很自然的解释，并成功地解释了包括高温超导相图、超流密度随掺杂浓度变化的准普适行为等一系列超导实验现象，对于反常的抗磁性、Nernst效应以及霍尔系数等现象给出了统一的解释。2004年，随着超冷费米原子气体超流研究的兴起，陈启瑾等人首次把赝能隙概念引人费米原子气体领域，并逐渐被该领域接受。幺正费米气体中的赝能隙现象也于去年首次在实验上无可争议地被观测到 [Nature 626, 288 (2024)]。基于这一理论，陈启瑾和合作者成功地解释了冷原子费米气体的超流相图、热力学相变 [Science 307, 1296 (2005)]、密度分布、射频谱、末太效应、粒子数失配效应、FFLO奇异超流态的稳定性缺失等一系列实验现象，在偶极原子气体、费米-费米混合气体中的配对和超流理论以及低维BKT相变理论等方面取得了一系列重要成果，发现和预言了一系列新奇的量子现象。此外，应邀在Physics Reports上著有费米冷原子气体领域第一篇综述文章。本论文第二作者王志强为中国科学技术大学新引进的青年科学家，长期从事高温超导理论研究，在p波及高角动量配对超导、交流反常霍尔效应、朗道能级配对、量子几何效应等方面取得了一系列重要成果。

《现代物理评论》创刊于1922年，涵盖包括基础、应用和交叉方向的各物理学研究方向，是国际物理学界最著名的综述性期刊，每年仅发表约四十篇学术论文。该期刊一般不接受自由投稿，主要是由编辑邀请在各领域卓有建树的物理学家执笔，旨在对当今物理研究的重大热点问题做历史总结、原理阐述、现状分析和趋向预测。论文需经过国际同行的匿名评审方可发表。

论文链接：https://link.aps.org/doi/10.1103/RevModPhys.96.025002

（合肥微尺度物质科学国家研究中心、未来技术学院、上海研究院、物理学院、科研部）