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超导磁场旋光性、手征迈斯纳效应、抑或其他

已有 869 次阅读 2024-9-6 11:24 |系统分类:科研笔记

几天前我通过博文《我的研究结果被诺奖得主Frank Wilczek二次发现》讲述了2016年时自己的研究结果[1]被德国《物理学年鉴》的审稿人以直觉否定,结果2024年被Frank Wilczek等人重新发现并发表的事情。

这两天我仔细的阅读了Frank Wilczek等人的论文[2],并延伸阅读了引用他的论文[3]以及其他更早的文献。然后发现,我的论文[1]中的结果会被重新发现,并不是偶然,原来实验上手征超导体成为了可能,这种超导具有时间反演不变性,但是宇称(空间反演)却被破坏。这样一来,3D Chern-Simons场就有了用处,而这就是我论文[1]的研究内容。

这里提一句:Chern就是著名的华人数学家陈省身先生。

我查了一下中文互联网,应该还没有“超导磁场旋光性”和“手征迈斯纳效应”的词汇,所以今天我通过在科学网写这篇文章来首次引入这些词汇。因为Frank Wilczek开始做这方面的研究,所以我猜想也许不久这个方向会成为热门也不一定。Frank Wilczek做的很多东西都容易成为热点,比如早期的“任意子”,以及最近的“时间晶体”,后来都成为了热点。在论文[2]中他提出了“超导磁场旋光性”的概念,这与3D Chern-Simons场的性质紧密联系,当然他论文[2]中写的是空间Chern-Simons

以前大家的兴趣大都在2+1D Chern-Simons场(时间和空间的反演均被破坏),20世纪80年代初Frank Wilczek就意识到这种场会导致分数统计,从而引出了任意子的概念,大概是2020年的时候任意子存在的证据被实验观测到。20世纪80年代的时候,经过Frank Wilczek等人的努力,2+1D Chern-Simons场被用于分数量子霍尔效应的研究,并取得巨大的成功,在这个方向做出重要贡献的就有张首晟和文小刚两位华人物理学家。早期的量子霍尔效应需要很强的磁场,这个导致应用成本很高,后来张首晟等人想到利用材料的拓扑性质实现量子反常霍尔效应。后来,清华大学的薛其坤教授带领团队观测到这种效应。

不过,3D Chern-Simons场有什么神奇的性质,并不太清楚。2016年的时候我通过论文[1]分析出,它会改变甚至破坏超导的“迈斯纳效应”。迈斯纳效应被认为是超导态出现的关键证据,去年韩国著名的“LK-99室温超导事件”就是没有严格的迈斯纳效应的证据而被否定。众所周知,2+1D Chern-Simons场会导致“拓扑迈斯纳效应”,但是我的论文[1]却说3D Chern-Simons场会破坏“迈斯纳效应”,两者就差个“维克转动”怎么差异会这么大?!!这也是德国《物理学年鉴》审稿人凭直觉拒稿的理由。

由于我论文[1]Frank Wilczek等人论文[2]中的主要方程几乎完全一样,所以我就直接贴上论文[2]中的公式(见图1)来解释一下我在论文[1]中做出了什么发现。

图1.jpg

图1

我在论文[1]中分了三种情况来讨论图1中的方程(32),见下图2:

图2.jpg

图2

情况C就是著名的超导“迈斯纳效应”,这个就不多提了。

情况B是论文[2]和[3]讨论的重点,此时超导不光有迈斯纳效应,还会出现磁场在超导表面震荡的现象。Frank Wilczek利用磁场的震荡提出“超导磁场旋光性”的概念[2],而论文[3]的作者将其命名为“手征迈斯纳效应”。

情况A出现时,磁场直接穿透超导,不存在迈斯纳效应。这种情况被Frank Wilczek等人给直接否定掉了,他们认为此时超导体不稳定,因为“迈斯纳效应”被破坏了,从而超导态也就不存在了。我的论文[1]正是以此为题目《3D Chern-Simons Term breaks Meissner Effect》(翻译:空间陈-西蒙斯项破坏迈斯纳效应)。

不过,与Frank Wilczek等人不同的是,我在论文[1]中并没有否定情况A出现的可能性,我猜测高温超导的“预配对图像”可能就属于这种情形。

写下这篇博文,希望以后国内跟进这方面研究的学者能够注意到我2016年就做出了这项工作[1]。

 

 

 

 参考文献:

[1]. Yong Tao. 3D Chern-Simons Term breaks Meissner Effect. arXiv:1610.07414v2 (2016)

[2]. M. Stålhammar, M., Rudneva, D., Hansson, T. H., and Wilczek, F.: Emergent Chern-Simons interactions in 3+1 dimensions. Physical Review B 109, 064514 (2024)

[3]. Shyta, V., Brink, J., and Nogueira, F.: Chiral Meissner state in time-reversal invariant Weyl superconductors. Physical Review Research 6, 013240 (2024)



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