曹原同学解决了困扰全球百年的超导难题了吗？
2018-04-07 17:52阅读：
下面是天涯量子在浙大某校友群里的聊天记录：
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某师弟：天涯量子师兄，你在闭关吗？你闭关时在想什么呢？
某师妹：
http://mp.weixin.qq.com/s/c3ZcQc9F1whP5iSKui_oLA
天涯量子师兄，你看，两层石墨烯，以某种角度相叠加，是不是就像你说的，架起了立体高速公路？
天涯量子：我没有真的闭关修炼啊，有时也在其他群里发帖子的喏，比如在北美群
...
某师弟： 原来师兄是在别处闭关哪？
天涯量子：好吧，待会儿有空，我来回答师妹的问题，评论一下曹原的工作是哪种层次的意义以及超导现象的根部机理。
... ...
天涯量子：
这个德国优才计划，本来在我的印象中是一个比较严肃的公众号。没有想到，它这次报道曹原的超导研究工作时居然也和标题党为伍了，用了一个
“这个中国人一记神操作，竟解决了困扰全球百年的难题”
的标题。其实从文章中的具体内容来看，他根本就没有解决什么问题。
任国强大校昨天在回答记者提问时说，“望远能知风浪小，凌空始觉海波平”。那就让我们来凌空瞧一瞧超导现象之海有几朵浪花吧。
第一朵浪花是金属低温超导现象引出了BCS理论，知道了两个自旋相反的电子，可以通过“微信”传情，结成对子，名曰库伯对。这个微信平台呢是由金属正离子晶格骨架构成的，两个“男女有别”的
电子通过撞击骨架发出的乒乒乓乓声来互诉衷肠和互送能量，从而失去了独自自由地去远方浪呀浪的诗情。第二朵浪花是铜氧化物高温超导现象引出了高速公路理论，知道了高速公路的运力和最佳车辆密度有关。铜离子的
5个 d 轨道本来是可以半充满的，但是被周围的氧离子挤压得不圆不球之后，只剩下3个能级比较低的可以入住电子的 d 轨道，另外2个 d
轨道的能级太高，电子进不去。结果这些低能级轨道全住满了电子，就像高速公路上划定的非优惠车道上全住满了车子一样，堵塞得大家都动弹不得，结果成了反铁磁的莫特绝缘体。如果继续注入电子，它们就没法再去低能级处占位了，也只好往高能级的那些空轨道上去了，就像高速公路上的双人车优惠车道上进入了少数车辆一样，结果运力又上去了。曹原的超导研究工作就是用石墨烯代替氧化铜，让两层石墨烯沿着法向轴相对旋转一度以形成轴向绝缘体，用电场注入载流子代替掺杂配方注入载流子，结果再次证明了高速公路的运力与最佳车辆密度有关。仅此而已。第三朵浪花是超导材料受到高压压缩作用下超导相变温度会有提高的效应。由此，我们可以大胆地猜测，地磁场是由地核中的超导电流提供的，地核中的液态铁受到的超级压缩作用，能使得超导相变温度提高到上千度。
这三朵浪花，人人都觉得是不应该孤立无关的。但是，超导领域里就是没有体制中的人知道去哪里找到联系。天涯量子认为，它们的共通点联系点是，在量子尺度上软波可以在硬波上无损弹射。软波就是频率相对较低的波，硬波就是频率相对较高的波。
这三者的共同基础是，超导相变发生在费米电子的振荡频率小于晶格振子的振荡频率之时。如果把高频率的振子比作墙壁，低频率的振子比作乒乓球，那么超导相变也就是发生在费米电子由墙壁转变成了乒乓球的时候。一个乒乓球在两块木板之间可以借助反复弹跳运动，一路走到很远的地方，这就是超导态；但是，一块木板要一路撞开乒乓球才能一路走下去，能量必定会被耗散掉，这就是非超导态。对于液态的地核物质铁来说，它受到的压缩作用是如此的巨大，所以它的晶格振子的频率就天然的够高的了，只需要降低一下费米电子的振荡频率就成了。为了承受地壳的巨大向心压力，铁原子核之间的前线电子轨道将由吸引势变成排斥势，继续压缩，仅凭反键轨道结构来提供斥力已经远远不够了。这些电子中必须有一小部分被挤压出去，直接由铁原子核的同性电荷相斥作用来反抗地心压力。根据等离激子的振荡频率与自由电子浓度的平方根成正比的关系，地核液态铁的电子外逸正好降低了费米电子的振荡频率，所以地核液态铁是处于超导态的。固体金属的超导态相变就没那么容易了。我们知道，固体材料的晶格格点之间的结合力越强，该材料的晶格格点本征振荡频率就越大。但是，室温下，任何材料的晶格格点都存在无序热运动，它是叠加在
FPU
问题定义的有序振动能之上的。这种无序热运动的动能在量子力学里是把它处理成排斥势，同时把对结合力有贡献的作用处理成吸引势，然后把两者加在一起作为一个势能项来解薛定谔方程的。所以，要想提高固体材料的晶格格点本征振荡频率，就必须降低格点的无序热运动。随着温度的降低，大量的有自旋值的电子通过晶格交换声子而凝聚成没有自旋值的库伯电子对，剩下的少量的有自旋值的电子就有了较低的等离激子振荡频率
，正好可以实现由木板角色向乒乓球角色的转化。可以超导相变的铜氧化物中的自由电子浓度可能在降温过程中变化不大，但是铜氧化物晶格的结合力可能在降温过程中有突跃式的提高，从而实现两者相对波硬度的反转。
根据上述理论，材料的弹性模量越大，自旋独立的电子浓度的允许值就越大，超导态下的饱和电流强度就越大，实用意义就越大。那么，金属材料，铜氧化物材料，和石墨烯材料在低温条件下，哪一种材料的弹性模量最大呢？
