精衛(wèi)填海、女媧補(bǔ)天：極化子的魅影

劉俊明

精衛(wèi)填海、女媧補(bǔ)天：極化子的魅影

劉俊明

科學(xué)研究視“創(chuàng)新”為靈魂、以“首次”為驕傲，雖然這未必是經(jīng)過(guò)嚴(yán)密論證的邏輯定律。到了今天，人類的科學(xué)研究、特別是中國(guó)的科學(xué)研究，似乎就只有創(chuàng)新、只在乎創(chuàng)新了。這種風(fēng)尚隨時(shí)光推移愈加濃厚，慢慢造就了科學(xué)知識(shí)的“多孔化”。也就是說(shuō)，在追逐創(chuàng)新和首次的風(fēng)風(fēng)雨雨中，科學(xué)知識(shí)的外延快速擴(kuò)張。學(xué)問(wèn)之風(fēng)你追我趕，只求第一、不做老二，這一態(tài)勢(shì)在“二”這個(gè)單字的世俗文化含義演化進(jìn)程中也體現(xiàn)出來(lái)。由此，知識(shí)邊界之內(nèi)留下許多未填的空洞，知識(shí)的多孔結(jié)構(gòu)成為必然，如圖1所示。毫無(wú)疑問(wèn)，在一個(gè)有限區(qū)域的知識(shí)板塊中，既然有很多孔洞，就將出現(xiàn)如下特征：(1)這些知識(shí)沒(méi)有太高強(qiáng)度，有些情況下一擊即碎，是外強(qiáng)中干的最好詮釋；(2)這些知識(shí)缺乏足夠內(nèi)涵，走馬觀花有景、精雕細(xì)琢無(wú)良；(3)這些知識(shí)用處不大，亦或也許可用，卻左支右絀、丑態(tài)迭出。因此，我們的新興知識(shí)大觀有可能是一幅秀麗于外、虛幻于內(nèi)的美景，自是無(wú)法立足在守拙于外、厚實(shí)于內(nèi)的寒冬大地之上。

當(dāng)然，大多數(shù)學(xué)者都不是學(xué)術(shù)江湖追風(fēng)逐浪之輩，他們?cè)诶鄯e了一定沉淀之后可能更多潛心于去填補(bǔ)那些孔洞，使得科學(xué)知識(shí)能夠強(qiáng)而堅(jiān)韌、硬而厚重。這些造化就如剔除了了悲傷元素的“精衛(wèi)填海、女媧補(bǔ)天”精神，好像既無(wú)助于世俗的油鹽醬醋、也無(wú)助于信仰的道行天下（有多少信眾會(huì)真的去填海和補(bǔ)天呢？?。?，但卻值得我們仰佩。如果有一些人在風(fēng)光漫過(guò)之后能夠回頭來(lái)看看身前身后事，將會(huì)是后來(lái)者的福蔭和納稅人的安慰。這樣的故事也的確一直在上演，并給了筆者停下腳步、駐足烽火之外的喘息之機(jī)。

在固態(tài)量子材料類別中，凝聚態(tài)物理最癡迷而不安得的大概就是關(guān)聯(lián)物理了，其中很強(qiáng)的電子-聲子和電子-電子相互作用使得問(wèn)題異常復(fù)雜。要使其崢嶸盡露，通常必須得各種重武器全數(shù)用上，也因此，相關(guān)領(lǐng)域形成多孔結(jié)構(gòu)的可能性就更大。Ising還算熟悉的龐磁電阻CMR錳氧化物即為其中一類。得益于1980年代磁性金屬超晶格中巨磁電阻GMR的發(fā)現(xiàn)和很快就用于磁硬盤的更新?lián)Q代，1990年代在錳氧化物薄膜中觀測(cè)到的CMR效應(yīng)讓一眾物理弄潮兒蜂擁而上，形成了十幾年CMR研究高歌猛進(jìn)的場(chǎng)景。要說(shuō)這一場(chǎng)景與我國(guó)經(jīng)濟(jì)生活中1950年代那高產(chǎn)浮夸的風(fēng)景有得一比，并不為過(guò)。這一高潮在十年前以SCI論文as a function of time指數(shù)下降為特征迅速消退，雖然也有諸如復(fù)旦沈健這種硬漢繼續(xù)在那里“千磨萬(wàn)擊還堅(jiān)勁，任爾東南西北風(fēng)”，令人欽佩。Ising在這里摘抄其中主要的結(jié)果示于圖2中。

FIG.1 Ising想象的變異知識(shí)結(jié)構(gòu)：多孔結(jié)構(gòu)。紅色表示研究的火熱程度，中心部分青霜白泛（意味著不再火熱、不再前沿)）(http://blogs.rsc.org/lc/files/2015/06/5012_MTAS_ART_Lapierre.jpg)。 這里列舉了幾個(gè)與量子材料關(guān)聯(lián)的熱門大學(xué)科領(lǐng)域，孕育了大批成果和對(duì)“前沿創(chuàng)新”的追逐，鮮有關(guān)注中間缺少鮮亮的問(wèn)號(hào)。)。

CMR錳氧化物終究未能付諸信息產(chǎn)業(yè)實(shí)際應(yīng)用，一個(gè)重要教訓(xùn)應(yīng)該是其自旋相關(guān)電子輸運(yùn)伴隨關(guān)聯(lián)效應(yīng)。拋開超交換、雙交換、Jahn-Teller畸變、容差因子、自旋極化、電荷有序、軌道有序、電子相分離等艱澀術(shù)語(yǔ)，這里一個(gè)核心的概念或者說(shuō)理論推測(cè)就是小極化子 (small polarons)。一般認(rèn)為，CMR錳氧化物中強(qiáng)烈的極化子效應(yīng)導(dǎo)致電子輸運(yùn)遷移率低、有效質(zhì)量大，而且磁阻響應(yīng)對(duì)外場(chǎng)也不夠敏感。所謂的CMR，只有在很高外磁場(chǎng)下才能得到。這一問(wèn)題如魅影隨行，使得眾多物理天才們久久不能釋懷，也讓人留下CMR不過(guò)是一群“花花公子”的印象。今天回頭看，有“當(dāng)年幕幕苦寒窗，百孔千瘡?fù)靼V情”的感受。在CMR的盛宴人去樓空之后，錳氧化物物理卻遠(yuǎn)未豐滿，“小極化子”即為其中一環(huán)缺失，未曾填補(bǔ)。

FIG.2(A)CMR錳氧化物的典型相圖(https://www.ncnr.nist.gov/staff/jeff/Polaron\%20Phase\%20Diagram3.jpg)。(B)電子相分離的電流分布圖像（襯度表示金屬相與絕緣相）(http://iopscience.iop.org/1674-1056/25/6/067504)。(C)PrCaMnO的磁電阻效應(yīng)，數(shù)據(jù)來(lái)自 Tokura實(shí)驗(yàn)室 (1999)(http://sces.phys.utk.edu/research/correlated/manganites/colossal.magnetoresistance.jpg)。

FIG.3(A)離子晶體或極性半導(dǎo)體中的一個(gè)傳導(dǎo)電子e，她當(dāng)然與同性相斥、與異性相吸。傳導(dǎo)電子自身靜電作用于周圍，反彈于自身，導(dǎo)致電子輸運(yùn)行為顯著不同于Drude圖像(wikimedia.org)。(B)背負(fù)沙袋行走的硬漢之囧樣(來(lái)自網(wǎng)絡(luò))。(C)針對(duì)La0.5Ca0.5MnO3實(shí)空間電子結(jié)構(gòu)示意圖。這里Mn離子名義上呈現(xiàn)一半3+和一半4+，形成電荷序?；趯?shí)驗(yàn)結(jié)果可以推演出兩幅圖像：電荷序和 Zener極化子。在電荷序圖像中，綠色離子是Mn3+、橙色離子是Mn4+、 O離子位于中間。在Zener極化子圖像中，電子從O離子轉(zhuǎn)移到Mn4+離子，形成Mn3+-O-Mn3+的Zener極化子（紅色和藍(lán)色離子）(http://www.tcd.ie/Physics/people/Charles.Patterson/Research/Projects/Manganites_etc.php)。

FIG.4 LaSr2Mn2O7中極化子對(duì)光激發(fā)的響應(yīng)（細(xì)節(jié)見朱溢眉老師文章）。

固體中電子運(yùn)動(dòng)絕非Drude模型那么簡(jiǎn)單，也不僅僅是周期晶體結(jié)構(gòu)中Bloch波那么干凈純粹，以為加上微擾就能窮盡固體物理。這種觀念當(dāng)然已經(jīng)過(guò)時(shí)，因?yàn)樵缭?930年代朗道在處理電介質(zhì)中電子輸運(yùn)問(wèn)題時(shí)就提出了所謂極化子(polaron)的概念。事實(shí)上，對(duì)任何固體（拓?fù)浣^緣體表面態(tài)有例外？），電子的輸運(yùn)必然導(dǎo)致周圍離子的位移以屏蔽電子電場(chǎng)，形成所謂的聲子云，對(duì)晶體周期結(jié)構(gòu)造成擾動(dòng)，如圖 3(A)所示。這是最早認(rèn)識(shí)polaron的圖像，但也足以說(shuō)明電子輸運(yùn)一定不同于周期世界的薛定諤，其遷移率通常會(huì)很小、有效質(zhì)量會(huì)很大。中科大張?jiān)：憷蠋熃?jīng)常拿“小孩背沙袋行走”來(lái)教育我們什么是polaron，還反復(fù)問(wèn)我們懂沒(méi)懂！如圖3(B)所示。圖3(C)展示了錳氧化物中的Zener極化子模型，印證著張老師的教導(dǎo)！

極化子效應(yīng)在固體量子系統(tǒng)中非常普遍，除上述錳氧化物，在極性半導(dǎo)體、有機(jī)半導(dǎo)體、低溫超導(dǎo)、高溫超導(dǎo)等體系中都普遍存在。BCS超導(dǎo)理論中的“庫(kù)珀對(duì)”事實(shí)上也是一種電-聲子作用導(dǎo)致的“極化子”。極化子儼然已經(jīng)成為固體量子系統(tǒng)中一個(gè)基本“準(zhǔn)粒子（極化費(fèi)米子）”，到處橫行霸道，給量子材料付諸實(shí)際應(yīng)用設(shè)置種種阻礙，雖然也偶爾有“庫(kù)伯對(duì)”這種低能激發(fā)的有益功用?，F(xiàn)在我們?cè)诖蟾煽焐?D材料，如石墨烯、MoS2等。這些2D材料除了比較特殊的能帶結(jié)構(gòu)（比如費(fèi)米面附近的線性色散關(guān)系），晶格維度低使得極化子效應(yīng)比較弱也是一個(gè)因由。

然而，極化子這個(gè)概念在固體物理中更多是一種理論圖像，其細(xì)節(jié)并不明朗，也缺乏證據(jù)支持。事實(shí)上，極化子輸運(yùn)過(guò)程的直接和有效的實(shí)驗(yàn)探測(cè)手段似乎并不多，光電導(dǎo)吸收和回旋共振吸收測(cè)量是探測(cè)極化子的常用手段，但也得依賴相關(guān)理論模型來(lái)擬合而窺其一二。光吸收測(cè)量在關(guān)聯(lián)系統(tǒng)中常常會(huì)遭遇瓶頸，特別是像錳氧化物這種晶格對(duì)稱性稍低且畸變較為嚴(yán)重的體系，其晶格比較“硬”，極化子尺度會(huì)很小，故又小名“小極化子”。對(duì)這類極化子探測(cè)面臨的困難有三：(1)極化子弛豫時(shí)間短；(2)極化子特征能量尺度大；(3)存在其它量子關(guān)聯(lián)物相如電荷有序和軌道有序相，它們對(duì)光致激發(fā)也有響應(yīng)，使得剝離來(lái)自極化子的信號(hào)變得愈加困難。時(shí)至今日，CMR錳氧化物物理中極化子圖像之所以未能很好被填補(bǔ)，這些困難毫無(wú)疑問(wèn)也是深刻的緣由。

即便如此，也還是有人對(duì)此魂?duì)繅?mèng)繞。美國(guó)布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的 Yimei Zhu（朱溢眉）老師外表看起來(lái)很是謙謙君子，學(xué)者風(fēng)范十足，一向以TEM作經(jīng)綸示人。過(guò)去幾年，朱溢眉老師團(tuán)隊(duì)發(fā)展了一種兆電子伏特能量的超快電子衍射技術(shù) (ultrafast MeV-electron diffraction)，仔細(xì)探測(cè)泵浦激光激發(fā)的信號(hào)，成功抽取出典型關(guān)聯(lián)體系LaSr2Mn2O7中極化子輸運(yùn)的動(dòng)力學(xué)行為，揭示了其中原子動(dòng)力學(xué)的所謂二分法(dichotomy)過(guò)程：LaSr2Mn2O7中 O、Mn和 La/Sr離子的類Jahn-Teller晶格畸變呈現(xiàn)兩套亞點(diǎn)陣響應(yīng)，其中一套亞點(diǎn)陣對(duì)光激發(fā)呈現(xiàn)overshoot-and-recovery響應(yīng)，而另一套亞點(diǎn)陣則呈現(xiàn)正常行為。朱老師們從這種二分法圖像，通過(guò)大量細(xì)致的測(cè)量和解譜，將LaSr2Mn2O7中極化子輸運(yùn)的動(dòng)力學(xué)特征抽絲剝繭出來(lái)，主要結(jié)果模型化示于圖4。

令人印象深刻的是，這項(xiàng)工作實(shí)驗(yàn)挑戰(zhàn)大、數(shù)據(jù)量驚人、分析難度高，顯示出一個(gè)“硬骨頭”如何被多方位精雕細(xì)琢，成為精品。這種作風(fēng)似乎是布魯克海文實(shí)驗(yàn)室的傳統(tǒng)，那里有一幫人很愛(ài)好并甘于補(bǔ)隙填洞，演繹“精衛(wèi)填海、女媧補(bǔ)天”。前一段時(shí)間，也在這個(gè)實(shí)驗(yàn)室的資深科學(xué)家Ivan Bozovic博士帶領(lǐng)他的團(tuán)隊(duì)歷時(shí)數(shù)載，在鐵基超導(dǎo)風(fēng)頭遠(yuǎn)蓋銅基超導(dǎo)的背景下，制備了數(shù)千個(gè) LaSrCuO樣品，從中提取出超導(dǎo)臨界溫度與配對(duì)電子對(duì)數(shù)目間的線性關(guān)系(doi:10.1038/nature19061)，顯示出與當(dāng)前高溫超導(dǎo)理論不一致的結(jié)果。今天我們也看到，朱老師及其團(tuán)隊(duì)也是風(fēng)餐露宿、寒暑交替，利用他的獨(dú)到技術(shù)做了大量細(xì)致的測(cè)量與推演，得到了錳氧化物中極化子超快行為的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。其中景致也許印證了網(wǎng)上的一闋打油詞“我上天山取蕙蘭，風(fēng)霜一路苦作閑。崎嶇玉嶺紅顏葉，逶迤桑田煙雨珊。心有岸，步無(wú)蹣。白皚高處落孤單。收拾起落懷中系，回首白云腳下潺”。

朱老師課題組及來(lái)自其他七家機(jī)構(gòu)的同事以“Dichotomy in ultrafast atomic dynamics as direct evidence ofpolaron formation in manganites”為題在《npj Quantum Materials》撰文，細(xì)數(shù)其中的征途艱辛 (http://www.nature.com/articles/npjquantmats201626)?？淳绻信d趣領(lǐng)略其中一二，可移步Junjie Li等人2016年11月25日發(fā)表在《npj Quantum Materials》上的論文(http://www.nature.com/articles/npjquantmats201626)。由美國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)Science記者撰寫、并得到美國(guó)能源部和布魯克海文實(shí)驗(yàn)室認(rèn)可的專業(yè)科普?qǐng)?bào)道可見于https://www.bnl.gov/newsroom/news.php?a=11899。

1000-0542(2017)04-0151-4

10.13725/j.cnki.pip.2017.04.003