高温超导发现后,理论上很快就预测铜氧化物高温超导电子的配对具有 d 波对称性。但早期的实验结果并不支持这个理论预测。第一个高温超导具有 d 波电子配对对称性的实验证据,是 1993 年由加拿大的 Hardy 教授等通过微波实验测量磁穿透深度给出的。他们发现磁穿透深度在低温下随着温度线性变化,是 d 波超导体的特征行为。随后,基于不同原理和不同方法的大量实验测量也都表明高温超导电子配对的确具有 d 波对称性,根据 d 波对称对高温超导体在超导相所做的理论预测也基本上都得到了实验的验证。
高温超导研究中最为清楚的就是超导电子配对的对称性。高温超导电子配对具有 d 波对称性,得到了包括光、电、磁、热等大量实验测量的验证和理论研究工作的支持。超导电子配对对称性的确定,为准确定量预言高温超导材料在超导相的物理性质奠定了基础。但仅从超导电子的对称性,并不能唯一确定导致这种电子配对的相互作用是什么。这是因为超导电子配对对称性不仅与相互作用有关,而且还与费米面在动量空间的位置及几何形状有关。相同的配对相互作用,费米面发生变化,配对对称性也可能发生变化。因此,仅从超导配对的对称性并不能确定超导电子配对的机理。
在文献中,通常有一种观点认为,只要实验上观察到同位素效应就证明是电声相互作用导致的超导电子配对。这个观点缺乏理论依据,同位素效应是电声相互作用起作用的必要条件,但不是充分条件。同样,从理论上讲,超导相变温度也不存在一个特殊的不可超越的极限,不能说因为超导相变温度超过了某个温度就不是电声相互作用导致的。2015 年,Eremets 等发现硫化氢在高压下会变成超导体,相变温度可达近 200 K 。如果他们的实验结果得到最终的证实,那么高压下的硫化氢将是迄今为止发现的相变温度最高的超导体,这种超导体的超导电子配对就极有可能是电声相互作用导致的。
理论上讲,高温超导之所以难研究,是因为高温超导的特征能量尺度比普遍金属的特征能量尺度要小两个数量级。表征金属的一个特征能量尺度就是电子的费米能,大概在一个电子伏特的量级,转换成温度,大约是一万多度。也就是说,对于普通金属,我们只要在一个电子伏特的能量分辨率上,把相互作用作为微扰,就可以对它的性质做非常好的预测。高温超导的一个特征能量尺度,就是超导的相变温度,大约在 100 K 左右,比金属的电子费米能小两个量级。因此,要理解高温超导的性质,我们需要的能量分辨尺度也要高两个量级。已有的固体电子论还达不到这么高的能量分辨的要求。而且,这个能量尺度和电子与其他元激发的相互作用同量级,微扰论不再适用,没有成熟的非微扰量子场论方法可用。
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