伦敦兄弟和皮帕理论的局限性在于无法解释穿透深度与外磁场的关系,特别是强磁场情况下超导体的电磁学性质。真正取得完全成功的超导唯象理论,是由苏联科学家金兹堡(Vitaly Lazarevich Ginzburg)和朗道(Lev Davidovich Landau) 于1950年左右建立的,称之为“金兹堡—朗道理论”,简称 GL 理论。朗道作为世界上顶级理论物理学家,自然对神秘的超导现象充满了兴趣。早期时候,也朝着电导率(注:等于电阻率倒数)无穷大的“理想”导体的错误方向做了些尝试,并于1933年提出相关理论模型。随后迈斯纳的实验否定了“ 理想” 导体的猜想,一并否定了一大堆早期的超导唯象理论。朗道是何其聪明,他并没有放弃希望,转而从超导相变的本质属性抓起,重新探索可能的超导唯象理论。首先,朗道和栗弗席兹(Evgeny Lifshitz)发展了一般意义上的二级相变理论,获得了基本的理论工具。当然,这个理论也是唯象的。定义一个在相变点为零的序参量,而系统自由能就是关于序参量的多项式函数(不含奇次项),其中系数是温度的函数。由此出发,就可以发现系统的相变序参量在相变温度之上只有一个稳定态,就是序参量为零处;在相变温度之下,序参量为零处反而变得不稳定,而在两侧各出现一个稳定的平衡态,即系统的某些热力学势二阶导数物理量发生了突变(图7)。可以证明,朗道和栗弗席兹的二级相变理论完全可以等价于范德瓦尔斯方程、外斯的“分子场理论”和合金有序化理论等多种相变理论描述,但是前者的语言更具有普适性,这些理论又被统称为“平均场理论”。该理论在凝聚态物理研究中的地位堪比圣经在基督教中的地位,形成的深远影响直到今天。 图7. (上)金兹堡与朗道;(下)二级相变唯象理论模型(图片来源:英文维基百科) 金兹堡—朗道理论是在二级相变唯象理论基础上,结合伦敦兄弟和皮帕等人从实验出发提出的一些合理假设,针对超导现象,赋予相变序参量新的物理意义:序参量的平方定义为超导电子密度。如此,只要引入合适的边界条件,就可以得出超导体中磁场和电场的分布关系式,得到两个方程,分别命名为第一 GL 方程和第二 GL 方程。加上麦克斯韦方程,原则上可以解出磁场环境下超导体内部所有的电磁场分布,但实际情况远远比这个复杂, 仅有在诸如零磁场、序参量缓变或趋于零以及在临界磁场附近等特殊情况下才有解析解。1952—1957 年间,另一位苏联科学家阿布里科索夫(Alexei Alexeyevich Abrikosov)成功解出了强磁场环境下的 GL 方程,发现超导体在接近临界磁场附近时,磁场实际上可以穿透材料内部,而且是以磁通涡旋点阵的形式存在,并最终被实验观测证实(图8)。阿布里科索夫通过解 GL 方程还发现:根据界面能是正是负可以把超导体划分成两类,其中第 II 类超导体介于下临界场 Hc1和上临界场 Hc2之间会存在点阵排列的磁通涡旋(参见本系列文章)。金兹堡、朗道、阿布里科索夫三位科学家关于超导的唯象理论,在描述超导相变许多临界现象中取得了巨大的成功,是超导理论研究画作上浓墨重彩的一笔,从此超导唯象理论图像就像油画一样既栩栩如生又神韵兼备,许多定量化的物理已经有规律可循。朗道因其在液氦超流方面的理论研究工作(也是二级相变理论的一个实际应用)获得1962 年诺贝尔物理学奖,金兹堡和阿布里科索夫则于2003 年获诺贝尔物理学奖,距离他们做出相关工作已经过去了差不多50 年。朗道获奖的另一个原因是,1962 年遭遇了严重车祸,诺奖委员会担心错失给这位天才物理学家颁奖的机会,赶紧把当年诺贝尔奖给了他。令人扼腕的是,重伤的朗道最终没有捱过60岁的坎,于1968 年去世。无独有偶,金兹堡也在获奖之后的第6 年(2009 年)去世,享年93 岁。而年近九旬的阿布里科索夫自从1991 年脱离俄罗斯之后,一直在美国的阿贡实验室工作。看来,要拿诺贝尔奖,除了本身工作必须足够优秀之外,保持一个健康的体魄和良好的心态同等重要! (责任编辑:本港台直播) |