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超导体的Higgs物理

Higgs physics in superconductors

储灏，张昊天，张至立

物理学报，2025，74(11): 117402.

doi: 10.7498/aps.74.20250241

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文章导读

超导体为什么会超导？回答这个问题有很多角度。长久以来，BCS理论被看作完美诠释了常规超导现象；因此一个常见的回答可能是：电子两两配对形成玻色子，发生玻色凝聚，即可实现无阻碍的输运。然而，这个回答忽视了一个重要事实：许多冷原子玻色凝聚并不具备超流特征（注：液氦仅是少数具有超流特性的玻色凝聚体之一）。笔者在研究生时代听到的另一个解释是：电子配对后在费米能附近打开能隙，因此费米能附近不再存在电子态供电子进行散射，因而不存在损耗或电阻。然而，绝缘体的费米能附近同样不存在电子态，绝缘体却为何不能展现出超流特性呢？这是困扰了笔者许久的一个问题。

要完整回答超导体为什么会超导这个问题，需要从电子配对以及超导集体模式动力学两个角度来共同思考。电子配对形成库珀对（即BCS理论核心）只是为载流子体系发生玻色凝聚建立了先决条件；一随意玻色凝聚体能否维持超流，则依赖于其集体模式的色散（即动力学特征）。简单来说，当玻色凝聚体运动时，其内部激发态会发生多普勒红移/蓝移。设想这个玻色凝聚体是一辆匀速行驶的小汽车，车上的每位乘客是该凝聚体中的一个玻色子。当车辆行驶接近一辆停驻在路边的救护车时，救护车的鸣笛由于多普勒效应，以更高的频率（蓝移）落入乘客耳中。乘客听到超过一定频率阈值的声音时便会焦虑不安（进入激发态），此时这辆小汽车便失去波色凝聚状态。因此，为保持超流状态，玻色凝聚体须保证其内在激发不因为多普勒效应而自发产生。然而，想要打破多普勒效应的诅咒并不容易：所有单粒子（无相互作用）系统无法与其抗争；唯有当玻色子之间存在相互作用、系统的激发演变为集体模式时，该魔咒才有可能在有限速度下解除。这是Landau在研究超流液氦时提出的深刻见解。对于超导体而言，Landau超流判据意味着：库珀对的波色凝聚能否形成超流、能维持多大速度的超流（即临界电流），与超导体的集体模式密切相关。

由于超导相变破缺U(1)规范对称，超导体的集体模式分为相位模式和振幅模式（可以粗略类比为晶体的声学声子和光学声子）。由于相位模式能隙为零，它是决定超流特性的关键因素。1962年，Philip Anderson提出：在超导体中，库珀对之间的相互作用使得该零能模跃迁至较高频率，该机制也意味着介导库伦相互作用的光子获得质量。由于具有质量的玻色子无法介导长程相互作用，这一理论从微观层面（对比London方程的介观层面）解释了超导体的完全抗磁效应（即Meissner效应）：电磁场以指数形式（而非1/r ²形式）在超导体内部衰减。结合Landau超流判据，该理论也表明超导体相位模式不再是制约超流速度的关键因素。更令人称奇的是，在粒子物理理论中，介导电弱相互作用的W±，Z玻色子因为类似的机制（Higgs机制）也获得质量，使电弱相互作用只在极短距离内有效。这两套机制因此被统称为Anderson-Higgs机制。鉴于这两套机制的相似，粒子物理中的Higgs boson对应超导体的振幅模式，后者因此被称作Higgs模式。本文将对超导体Higgs模式研究的历史、现况与未来作简单介绍，帮助读者了解Higgs模式动力学如何助力超导研究，尤其是非常规超导、高温超导研究。同时，本文也将简单介绍Higgs模式研究采用的超快、非线性光谱学技术，为读者展示近年来丰富多样的谱学技术发展。希望本文能为读者打开审视超导现象的全新视角！

作者简介

储 灏

上海交通大学物理与天文学院长聘教轨副教授

2010在美国普林斯顿大学获得物理学学士学位，2017年在美国加州理工学院获得应用物理学博士学位，2017年11月—2021年11月在马普学会、英属哥伦比亚大学、东京大学量子材料中心从事博士后研究。2021年12月起任现职。长期从事关联电子材料的超快、非线性光谱学研究以及光致相变研究，研究材料体系包括铜基高温超导体、铱氧化物、二维磁性材料。2018年起开始关注并开展了一系列铜基超导体的Higgs动力学研究，目前着重关注超导体中电荷密度波涨落与Higgs涨落之间的相互作用。