1989 年，視網膜脫落手術導致吉爾伯特·隆扎裡奇失明一個月。這位英國劍橋大學的凝聚態物理學家並沒有感到沮喪或沮喪，而是抓住機會，邀請他的研究生到他家分享適應沒有視力的生活有多麼令人興奮。隆扎裡奇對這種經歷的擁抱完美地捕捉了他的人生態度，當時是其中一位學生、現任德國德累斯頓馬克斯·普朗克固體化學物理研究所主任的安德魯·麥肯齊說。“吉爾是我見過的最積極的人之一。他對一切都感興趣，”他說。
40 多年來，這種樂觀和好奇心驅使隆扎裡奇以人們從未想過的方式探測材料。在 20 世紀 90 年代的開創性實驗中，他的團隊表明，將磁性化合物推向極端壓力並接近絕對零度，可以使其中一些化合物在沒有電阻的情況下導電。這與傳統觀念背道而馳，傳統觀念認為磁性和超導性永遠不可能混合在一起。“這就像現在你談論發現外星人一樣，”劍橋的同事馬爾特·格羅舍說。
這項工作為物理學家展示了一種尋找超導體的新方法，超導體是磁共振成像儀和粒子加速器等技術的核心。近年來，它為某些材料在遠高於絕對零度的溫度下仍然保持超導性的原因提供了一種可能的解釋，這可能為開發在室溫下超導的高效、廉價裝置鋪平道路。
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但這些實驗的影響遠不止於超導性。隆扎裡奇的在極端條件下處理材料的方法已成為發現新物質狀態的通用方法。在世界各地，物理學家現在使用這種方法來探測一系列材料，在這些材料中，電子的集體相互作用可以產生異常的行為。其中一些現象可能會徹底改變計算技術。
隆扎裡奇的研究在他所在的社群可能具有傳奇色彩，但這位物理學家的謙遜和慷慨才是他受到同事喜愛的原因。他出了名的沒有時間觀念；與隆扎裡奇的隨意交談很容易導致長達數小時的在物理學、哲學、政治和歷史的道路上的隨意漫步。劍橋的同事邁克爾·薩瑟蘭說，這可能意味著錯過午餐——“但這是你一週中最富有成效的幾個小時”。與同行的電話經常持續到凌晨，而且在隆扎裡奇難得參加會議時，他總是會吸引一大批與會者。“即使只見過他一兩次的人也會產生依戀和敬畏之情，”另一位前學生、現任加拿大舍布魯克大學物理學家的路易斯·塔伊費爾說。
現年 72 歲的隆扎裡奇目前在劍橋量子物質研究小組擔任兼職，但他仍在透過將材料推向更極端的條件來取得新的發現。他認為這個尚未開發的領域對於解開物理定律至關重要，就像粒子對撞機上的高能實驗一樣，並期望會有更多的發現。“吉爾從來不認為我們現在只是在填寫細節，”新澤西州皮斯卡塔韋羅格斯大學的理論物理學家皮爾斯·科爾曼說。“他確實認為探索量子物質是一個真正的邊界。”
集體努力
在劍橋三一學院一間古老的書房裡走動時，隆扎裡奇急切地指出他的英雄之一、經濟學家約翰·肯尼斯·加爾佈雷思的肖像，並且熱情地談論他同事的傑出工作。但是當談話轉向他自己的成就時，隆扎裡奇變得沉默寡言。他說，慶祝英雄是人之常情，但科學是一項集體活動，單獨表揚個人會扼殺團隊。
儘管同事們很快就強調了隆扎裡奇的影響，但他永遠不會這樣做——這種做法可以追溯到他童年時期，他的父母是義大利人，住在伊斯特拉半島。他回憶說，他的父親告訴他“總是把更大的那塊餡餅切給別人”。在學校裡，他了解了羅馬共和國，並被置於理性、妥協和協作治理上的重要性所吸引。
他九歲時，全家搬到了美國。到了 20 世紀 60 年代，隆扎裡奇已經成長為一名勤奮的年輕人。他對物理學的興趣始於加州大學伯克利分校，他在那裡獲得了文科學位。正是在那裡，他遇到了格里·西蒙斯（現在的隆扎裡奇）。兩人在遠處相互欣賞，然後她假裝需要物理導師來安排了他們的見面；他們於 1967 年結婚。
“在我難得看到他那些日子的照片時，他留著長髮。他是一個物理嬉皮士，”科爾曼說。但是，儘管隆扎裡奇強烈地認為人們應該挑戰政府，包括美國在越南發動的戰爭，但他對反文化中自由使用毒品和拒絕家庭感到失望。“我想做一些切實的事情，充分利用生命。我不認為我們正在這樣做，”他說。
在明尼阿波利斯的明尼蘇達大學度過一段時間後，這場運動的陰暗面最終將格里和吉爾完全趕出了美國，去了加拿大溫哥華的不列顛哥倫比亞大學。在那裡，隆扎裡奇在攻讀凝聚態物理學家安德魯·戈爾德領導的新實驗室的博士學位時，對磁性產生了濃厚的興趣。當他於 1976 年離開劍橋工作一段時間時，他找到了他的新羅馬。該學院的結構沒有真正的等級制度，並且擁有兩位凝聚態物理學巨頭——布萊恩·皮帕德和大衛·肖恩伯格。原本計劃為期一年的歐洲冒險最終持續了 40 多年。
隆扎裡奇來到劍橋是為了研究磁鐵——電子自旋都自發對齊的材料。他的方法起初引起了一些質疑：他開發了自己的數學符號，並且會在花費數週時間準備實驗，而看起來卻什麼也沒做。但是他的方法很快就開始取得了成果。
在磁性材料中，自旋僅在一定程度上保持其有序排列；在高於一定溫度的情況下，電子具有足夠的能量來輕鬆克服導致自旋對齊的力。隆扎裡奇認為，理解磁性材料的最佳方法是將它們推到那個點，在那裡它們將處於有序和無序之間的臨界點上。特別是，他有興趣探索如果將磁性轉變轉移，以便量子效應可能改變材料的狀態，會發生什麼。在較高的壓力下，轉變發生在較低的溫度下。並且，在足夠的壓力下，可以“調整”一種材料，使其磁性轉變點發生在接近絕對零度的地方。在這裡，熱振動無法為材料失去磁序提供足夠的能量。相反，量子漲落——電子特性（例如速度和位置）的瞬時變化，由量子世界固有的不確定性引起——占主導地位，並可能導致材料切換狀態。在絕對零度附近的區域，稱為量子臨界點，磁性材料變得不穩定，並處於磁性的邊緣：它們缺乏秩序，但渴望對齊。
在量子臨界點周圍，隨著較大的物理力受到抑制，電子之間通常較弱的相互作用可能會產生巨大的影響。並且，隆扎裡奇認為，它們可能會透過集體相互作用產生新的物質狀態。“就像在森林裡；小植物只有在大樹被砍倒後才會生長，”他說。
特別是，隆扎裡奇預測，反鐵磁體——在低於一定溫度的情況下，相鄰自旋朝相反方向對齊的磁性材料——會在量子臨界點附近變成超導體。他認為，在磁性的邊緣，電子會如此渴望對齊，以至於它們可能會自發地形成自旋相反的配對。這種反平行配對會粘在一起，它們之間的相互吸引會穩定它們在材料原子晶格中的移動。
來源：自然，2017 年 9 月 27 日，doi:10.1038/549448a
自 20 世紀 80 年代中期以來，各種理論家都提出可能出現這種由磁性介導的超導性，但隆扎裡奇的團隊是第一個提供確鑿實驗證據的團隊。當研究小組透過在高壓下冷卻將反鐵磁體鈰銦-3的樣品推向量子臨界點時，研究人員發現它翻轉到超導相——這是在磁性材料中從未見過的現象。
這項於 1994 年完成的工作展示了一種新的超導體類別。它還提供了一個搜尋其他超導材料的路線圖。今天，物理學家們通常將磁性材料的相變推至絕對零度，以觀察是否會出現這種行為。
新的領域
量子臨界點，以及可能在其周圍發生的強量子相互作用，可能會產生其他奇異的狀態，而不僅僅是超導性。“這就像發現新物質狀態的溫床，”劍橋物理學家斯蒂芬·羅利說。世界各地的物理學家現在正在操縱各種不同的因素——壓力、磁場和化學成分——將相變推向更低的溫度，從而接近量子臨界點。
在 20 世紀 90 年代後期，這種方法導致隆扎裡奇和當時的學生克里斯蒂安·普弗萊德勒發現了錳矽化物材料中的奇怪行為。過去幾年進行的實驗暗示這可能與被稱為斯格明子的旋轉二維磁渦旋有關，這些渦旋後來由普弗萊德勒及其同事描述，現在被譽為儲存資訊的超高效方法。透過探測在 2007 年氧化釕鍶的量子臨界點附近，麥肯齊和他的團隊證實了一種新的物質相的存在，在這種物質相中，電子會流動但仍顯示出有序的空間結構。
物理學界的同仁們認為朗扎裡奇（Lonzarich）的獨特之處在於他不僅是一位優秀的理論家，還是一位傑出的實驗家。“你需要回顧恩里科·費米（Enrico Fermi）那樣的人物，才能找到既能深入思考理論又能進行真正出色實驗的人，”加州大學戴維斯分校的物理學家和傑出研究教授大衛·派恩斯（David Pines）說道。朗扎裡奇將自己的樣品培養到極高的純度，並開創了一種稱為量子振盪的技術，該技術使物理學家能夠確定複雜相互作用系統的電子結構。劍橋大學卡文迪什實驗室的高壓實驗室負責人帕特里夏·阿利雷扎（Patricia Alireza）表示，朗扎裡奇經常鼓勵她製造出能將樣品壓縮到超出人們想象極限的裝置。“吉爾（Gil）會笑著說，‘我認為我們可能還能做得好 100 倍’，”她說，“你知道嗎？我們總是能做到。”
朗扎裡奇的許多學生都在物理學領域繼續深造並取得了成功。例如，蘇奇特拉·塞巴斯蒂安（Suchitra Sebastian）幾年前與朗扎裡奇合作研究了六硼化釤，這是一種在暴露於強磁場時會表現出金屬特性的絕緣體。她說，如果沒有他的建議，她可能已經離開了這個領域。“他不僅僅是在教你‘這是你做物理學的方式’，而是在教你‘這是如何在物理學界生存的方式’，”她說。朗扎裡奇對自己在指導他人方面所做的貢獻持謙虛態度，他說他們教給他的東西至少和另一方一樣多。
羅利（Rowley）說，他總是會抽出時間來幫助別人。派恩斯補充說，他擅長逃避不必要的官僚程式也很有幫助。“他有很多不同的辦公室，所以他總能躲在一個地方。” 但朗扎裡奇的自由思考很大程度上得益於他的妻子格麗（Gerie）。她確保資助申請按時提交，並且能趕上航班。吉爾說他的妻子就像太陽：“如此巨大而重要，以至於有時你會忘記她是這一切存在的原因。”
揮之不去的謎團
在過去的幾年裡，朗扎裡奇關於超導性和磁性之間密切聯絡的觀點獲得了新的關注。物理學家使用 BCS 理論來解釋傳統的超導性，該理論以 1957 年發表該理論的三人的姓氏首字母命名。該理論指出，一個在某些材料中高速運動的電子會在其後面的原子晶格中產生帶正電荷的畸變。這會吸引第二個電子，它會像騎在競爭對手的尾流中的腳踏車手一樣跟隨第一個電子。如果形成足夠多的相對穩定的“庫珀對”，它們就會形成一種有序狀態，在這種狀態下，兩個電子會保持彼此的軌道並無阻力地流動。
但這種解釋無法解釋被稱為銅酸鹽的銅基絕緣體的三明治結構和 鐵基半導體。這兩類超導體可以在高達 133 開爾文的溫度下無阻力地導電。如果可以將這種轉變提升到室溫，大約 300 開爾文，那麼這些超導體將可以實現更便宜的能源、醫學成像和交通運輸。但是，關於它們如何工作的 爭論已經持續了 30 年。
從一開始，就有一方認為，磁相互作用（它比晶格畸變引起的相互作用更能抵抗溫度）可能以某種方式將電子結合在一起，從而在銅酸鹽中產生超導性。朗扎裡奇推測，這種磁性粘合劑可能源於反鐵磁量子臨界點附近出現的相同量子漲落。這個想法現在正在激烈辯論中，並且去年在泰勒費爾（Taillefer）團隊與法國圖盧茲 國家強磁場實驗室的合作者進行的實驗中獲得了一些支援證據。該小組發現，用強磁場剝奪銅酸鹽的超導性並增加雜質的含量，會揭示出急劇的相變，即一個原本隱藏的量子臨界點。儘管該點的確切性質仍不清楚，但泰勒費爾表示，反鐵磁相關性似乎在其中起作用。“這意味著吉爾有一個非常棒的直覺，”他說。
朗扎裡奇現在正在關注傳統的高溫超導體之外的領域。他和羅利以及其他同事一起，正在研究鐵電體的性質，這是一種研究較少的離子材料，它們會產生自己的電場。在低溫下，鐵電體可以以類似於磁性材料中超導性出現的方式轉變為超導體。朗扎裡奇預感，在同樣表現出磁性的鐵電材料中，電子對的結合力非常強，以至於該狀態可以在室溫下保持穩定。
朗扎裡奇說，宇宙比大多數科學家認為的要豐富得多。每一種新發現的物質狀態只有在條件合適且材料足夠純淨時才會出現。朗扎裡奇推測，探索這些狀態周圍的邊界可能會揭示更多的相，而研究這些相的邊界可能會揭示更多，從而以分形的方式展開發現。“如果每個量子臨界點只是下一代的開始呢？有一些跡象表明我們正朝著這個方向發展，”他說。
這個想法具有高度的推測性，但泰勒費爾表示，人們應該認真聽取他的觀點。一種現在熟悉的原理可能隱藏著深刻而複雜的行為的觀點“是吉爾的典型風格”，他說。“我絕對會支援他。”
本文經許可轉載，並於 2017 年 9 月 27 日 首次發表。