1989 年，视网膜脱落手术导致吉尔伯特·隆扎里奇失明一个月。这位英国剑桥大学的凝聚态物理学家并没有感到沮丧或沮丧，而是抓住机会，邀请他的研究生到他家分享适应没有视力的生活有多么令人兴奋。隆扎里奇对这种经历的拥抱完美地捕捉了他的人生态度，当时是其中一位学生、现任德国德累斯顿马克斯·普朗克固体化学物理研究所主任的安德鲁·麦肯齐说。“吉尔是我见过的最积极的人之一。他对一切都感兴趣，”他说。
40 多年来，这种乐观和好奇心驱使隆扎里奇以人们从未想过的方式探测材料。在 20 世纪 90 年代的开创性实验中，他的团队表明，将磁性化合物推向极端压力并接近绝对零度，可以使其中一些化合物在没有电阻的情况下导电。这与传统观念背道而驰，传统观念认为磁性和超导性永远不可能混合在一起。“这就像现在你谈论发现外星人一样，”剑桥的同事马尔特·格罗舍说。
这项工作为物理学家展示了一种寻找超导体的新方法，超导体是磁共振成像仪和粒子加速器等技术的核心。近年来，它为某些材料在远高于绝对零度的温度下仍然保持超导性的原因提供了一种可能的解释，这可能为开发在室温下超导的高效、廉价设备铺平道路。
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但这些实验的影响远不止于超导性。隆扎里奇的在极端条件下处理材料的方法已成为发现新物质状态的通用方法。在世界各地，物理学家现在使用这种方法来探测一系列材料，在这些材料中，电子的集体相互作用可以产生异常的行为。其中一些现象可能会彻底改变计算技术。
隆扎里奇的研究在他所在的社区可能具有传奇色彩，但这位物理学家的谦逊和慷慨才是他受到同事喜爱的原因。他出了名的没有时间观念；与隆扎里奇的随意交谈很容易导致长达数小时的在物理学、哲学、政治和历史的道路上的随意漫步。剑桥的同事迈克尔·萨瑟兰说，这可能意味着错过午餐——“但这是你一周中最富有成效的几个小时”。与同行的电话经常持续到凌晨，而且在隆扎里奇难得参加会议时，他总是会吸引一大批与会者。“即使只见过他一两次的人也会产生依恋和敬畏之情，”另一位前学生、现任加拿大舍布鲁克大学物理学家的路易斯·塔伊费尔说。
现年 72 岁的隆扎里奇目前在剑桥量子物质研究小组担任兼职，但他仍在通过将材料推向更极端的条件来取得新的发现。他认为这个尚未开发的领域对于解开物理定律至关重要，就像粒子对撞机上的高能实验一样，并期望会有更多的发现。“吉尔从来不认为我们现在只是在填写细节，”新泽西州皮斯卡塔韦罗格斯大学的理论物理学家皮尔斯·科尔曼说。“他确实认为探索量子物质是一个真正的边界。”
集体努力
在剑桥三一学院一间古老的书房里走动时，隆扎里奇急切地指出他的英雄之一、经济学家约翰·肯尼斯·加尔布雷思的肖像，并且热情地谈论他同事的杰出工作。但是当谈话转向他自己的成就时，隆扎里奇变得沉默寡言。他说，庆祝英雄是人之常情，但科学是一项集体活动，单独表扬个人会扼杀团队。
尽管同事们很快就强调了隆扎里奇的影响，但他永远不会这样做——这种做法可以追溯到他童年时期，他的父母是意大利人，住在伊斯特拉半岛。他回忆说，他的父亲告诉他“总是把更大的那块馅饼切给别人”。在学校里，他了解了罗马共和国，并被置于理性、妥协和协作治理上的重要性所吸引。
他九岁时，全家搬到了美国。到了 20 世纪 60 年代，隆扎里奇已经成长为一名勤奋的年轻人。他对物理学的兴趣始于加州大学伯克利分校，他在那里获得了文科学位。正是在那里，他遇到了格里·西蒙斯（现在的隆扎里奇）。两人在远处相互欣赏，然后她假装需要物理导师来安排了他们的见面；他们于 1967 年结婚。
“在我难得看到他那些日子的照片时，他留着长发。他是一个物理嬉皮士，”科尔曼说。但是，尽管隆扎里奇强烈地认为人们应该挑战政府，包括美国在越南发动的战争，但他对反文化中自由使用毒品和拒绝家庭感到失望。“我想做一些切实的事情，充分利用生命。我不认为我们正在这样做，”他说。
在明尼阿波利斯的明尼苏达大学度过一段时间后，这场运动的阴暗面最终将格里和吉尔完全赶出了美国，去了加拿大温哥华的不列颠哥伦比亚大学。在那里，隆扎里奇在攻读凝聚态物理学家安德鲁·戈尔德领导的新实验室的博士学位时，对磁性产生了浓厚的兴趣。当他于 1976 年离开剑桥工作一段时间时，他找到了他的新罗马。该学院的结构没有真正的等级制度，并且拥有两位凝聚态物理学巨头——布莱恩·皮帕德和大卫·肖恩伯格。原本计划为期一年的欧洲冒险最终持续了 40 多年。
隆扎里奇来到剑桥是为了研究磁铁——电子自旋都自发对齐的材料。他的方法起初引起了一些质疑：他开发了自己的数学符号，并且会在花费数周时间准备实验，而看起来却什么也没做。但是他的方法很快就开始取得了成果。
在磁性材料中，自旋仅在一定程度上保持其有序排列；在高于一定温度的情况下，电子具有足够的能量来轻松克服导致自旋对齐的力。隆扎里奇认为，理解磁性材料的最佳方法是将它们推到那个点，在那里它们将处于有序和无序之间的临界点上。特别是，他有兴趣探索如果将磁性转变转移，以便量子效应可能改变材料的状态，会发生什么。在较高的压力下，转变发生在较低的温度下。并且，在足够的压力下，可以“调整”一种材料，使其磁性转变点发生在接近绝对零度的地方。在这里，热振动无法为材料失去磁序提供足够的能量。相反，量子涨落——电子特性（例如速度和位置）的瞬时变化，由量子世界固有的不确定性引起——占主导地位，并可能导致材料切换状态。在绝对零度附近的区域，称为量子临界点，磁性材料变得不稳定，并处于磁性的边缘：它们缺乏秩序，但渴望对齐。
在量子临界点周围，随着较大的物理力受到抑制，电子之间通常较弱的相互作用可能会产生巨大的影响。并且，隆扎里奇认为，它们可能会通过集体相互作用产生新的物质状态。“就像在森林里；小植物只有在大树被砍倒后才会生长，”他说。
特别是，隆扎里奇预测，反铁磁体——在低于一定温度的情况下，相邻自旋朝相反方向对齐的磁性材料——会在量子临界点附近变成超导体。他认为，在磁性的边缘，电子会如此渴望对齐，以至于它们可能会自发地形成自旋相反的配对。这种反平行配对会粘在一起，它们之间的相互吸引会稳定它们在材料原子晶格中的移动。
来源：自然，2017 年 9 月 27 日，doi:10.1038/549448a
自 20 世纪 80 年代中期以来，各种理论家都提出可能出现这种由磁性介导的超导性，但隆扎里奇的团队是第一个提供确凿实验证据的团队。当研究小组通过在高压下冷却将反铁磁体铈铟-3的样品推向量子临界点时，研究人员发现它翻转到超导相——这是在磁性材料中从未见过的现象。
这项于 1994 年完成的工作展示了一种新的超导体类别。它还提供了一个搜索其他超导材料的路线图。今天，物理学家们通常将磁性材料的相变推至绝对零度，以观察是否会出现这种行为。
新的领域
量子临界点，以及可能在其周围发生的强量子相互作用，可能会产生其他奇异的状态，而不仅仅是超导性。“这就像发现新物质状态的温床，”剑桥物理学家斯蒂芬·罗利说。世界各地的物理学家现在正在操纵各种不同的因素——压力、磁场和化学成分——将相变推向更低的温度，从而接近量子临界点。
在 20 世纪 90 年代后期，这种方法导致隆扎里奇和当时的学生克里斯蒂安·普弗莱德勒发现了锰硅化物材料中的奇怪行为。过去几年进行的实验暗示这可能与被称为斯格明子的旋转二维磁涡旋有关，这些涡旋后来由普弗莱德勒及其同事描述，现在被誉为存储信息的超高效方法。通过探测在 2007 年氧化钌锶的量子临界点附近，麦肯齐和他的团队证实了一种新的物质相的存在，在这种物质相中，电子会流动但仍显示出有序的空间结构。
物理学界的同仁们认为朗扎里奇（Lonzarich）的独特之处在于他不仅是一位优秀的理论家，还是一位杰出的实验家。“你需要回顾恩里科·费米（Enrico Fermi）那样的人物，才能找到既能深入思考理论又能进行真正出色实验的人，”加州大学戴维斯分校的物理学家和杰出研究教授大卫·派恩斯（David Pines）说道。朗扎里奇将自己的样品培养到极高的纯度，并开创了一种称为量子振荡的技术，该技术使物理学家能够确定复杂相互作用系统的电子结构。剑桥大学卡文迪什实验室的高压实验室负责人帕特里夏·阿利雷扎（Patricia Alireza）表示，朗扎里奇经常鼓励她制造出能将样品压缩到超出人们想象极限的设备。“吉尔（Gil）会笑着说，‘我认为我们可能还能做得好 100 倍’，”她说，“你知道吗？我们总是能做到。”
朗扎里奇的许多学生都在物理学领域继续深造并取得了成功。例如，苏奇特拉·塞巴斯蒂安（Suchitra Sebastian）几年前与朗扎里奇合作研究了六硼化钐，这是一种在暴露于强磁场时会表现出金属特性的绝缘体。她说，如果没有他的建议，她可能已经离开了这个领域。“他不仅仅是在教你‘这是你做物理学的方式’，而是在教你‘这是如何在物理学界生存的方式’，”她说。朗扎里奇对自己在指导他人方面所做的贡献持谦虚态度，他说他们教给他的东西至少和另一方一样多。
罗利（Rowley）说，他总是会抽出时间来帮助别人。派恩斯补充说，他擅长逃避不必要的官僚程序也很有帮助。“他有很多不同的办公室，所以他总能躲在一个地方。” 但朗扎里奇的自由思考很大程度上得益于他的妻子格丽（Gerie）。她确保资助申请按时提交，并且能赶上航班。吉尔说他的妻子就像太阳：“如此巨大而重要，以至于有时你会忘记她是这一切存在的原因。”
挥之不去的谜团
在过去的几年里，朗扎里奇关于超导性和磁性之间密切联系的观点获得了新的关注。物理学家使用 BCS 理论来解释传统的超导性，该理论以 1957 年发表该理论的三人的姓氏首字母命名。该理论指出，一个在某些材料中高速运动的电子会在其后面的原子晶格中产生带正电荷的畸变。这会吸引第二个电子，它会像骑在竞争对手的尾流中的自行车手一样跟随第一个电子。如果形成足够多的相对稳定的“库珀对”，它们就会形成一种有序状态，在这种状态下，两个电子会保持彼此的轨道并无阻力地流动。
但这种解释无法解释被称为铜酸盐的铜基绝缘体的三明治结构和 铁基半导体。这两类超导体可以在高达 133 开尔文的温度下无阻力地导电。如果可以将这种转变提升到室温，大约 300 开尔文，那么这些超导体将可以实现更便宜的能源、医学成像和交通运输。但是，关于它们如何工作的 争论已经持续了 30 年。
从一开始，就有一方认为，磁相互作用（它比晶格畸变引起的相互作用更能抵抗温度）可能以某种方式将电子结合在一起，从而在铜酸盐中产生超导性。朗扎里奇推测，这种磁性粘合剂可能源于反铁磁量子临界点附近出现的相同量子涨落。这个想法现在正在激烈辩论中，并且去年在泰勒费尔（Taillefer）团队与法国图卢兹 国家强磁场实验室的合作者进行的实验中获得了一些支持证据。该小组发现，用强磁场剥夺铜酸盐的超导性并增加杂质的含量，会揭示出急剧的相变，即一个原本隐藏的量子临界点。尽管该点的确切性质仍不清楚，但泰勒费尔表示，反铁磁相关性似乎在其中起作用。“这意味着吉尔有一个非常棒的直觉，”他说。
朗扎里奇现在正在关注传统的高温超导体之外的领域。他和罗利以及其他同事一起，正在研究铁电体的性质，这是一种研究较少的离子材料，它们会产生自己的电场。在低温下，铁电体可以以类似于磁性材料中超导性出现的方式转变为超导体。朗扎里奇预感，在同样表现出磁性的铁电材料中，电子对的结合力非常强，以至于该状态可以在室温下保持稳定。
朗扎里奇说，宇宙比大多数科学家认为的要丰富得多。每一种新发现的物质状态只有在条件合适且材料足够纯净时才会出现。朗扎里奇推测，探索这些状态周围的边界可能会揭示更多的相，而研究这些相的边界可能会揭示更多，从而以分形的方式展开发现。“如果每个量子临界点只是下一代的开始呢？有一些迹象表明我们正朝着这个方向发展，”他说。
这个想法具有高度的推测性，但泰勒费尔表示，人们应该认真听取他的观点。一种现在熟悉的原理可能隐藏着深刻而复杂的行为的观点“是吉尔的典型风格”，他说。“我绝对会支持他。”
本文经许可转载，并于 2017 年 9 月 27 日 首次发表。