超导体

气体液化问题是19世纪物理学的热点之一。1894年荷兰莱顿大学实验物理学教授卡麦林·昂内斯建立了著名的低温试验室。1908年昂内斯成功地液化了地球上最后一种“永久气体”——氦气,并且获得了接近绝对零度(零下273.2摄氏度,标为OK)的低温:4.25K-1.15K(相当于零下摄氏度)。为此,朋友们风趣地称他为“绝对零度先生”。这样低的温度为超导现象的发现提供了有力保证。经过多次实验,1911年昂内斯发现:汞的电阻在4.2K左右的低温度时急剧下降,以致完全消失(即零电阻)。1913年他在一篇论文中首次以“超导电性”一词来表达这一现象。由于“对低温下物质性质的研究,并使氦气液化”方面的成就,昂内斯获1913年诺贝尔物理学奖。

“超导电性”现象被发现之后,引起了各国科学家的关注和研究,并寄于很大期望。通过研究,人们发现:所有超导物质,如钛、锌、铊、铅、汞等,当温度降至临界温度(超导转变温度)时,皆显现出某些共同特性:(1)电阻为零,一个超导体环移去电源之后,还能保持原有的电流。有人做过实验,发现超导环中的电流持续了二年半而无显著衰减:(2)完全抗磁性。这一现象是1933年德国物理学家迈斯纳等人在实验中发现的,只要超导材料的温度低于临界温度而进入超导态以后,该超导材料便把磁力线排斥体外,因此其体内的磁感应强度总是零。这种现象称为“迈斯纳效应”。

超导电性的本质究竟是什么,一开始人们便从实验和理论两个方面进行探索。不少著名科学家为此负出了巨大努力。然而直到50年人才获得了突破性的进展,"BCS”理论的提出标志着超导电性理论现代阶段的开始。

“BCS”理论是由美国物理学家巴丁、库珀和施里弗于1957年首先提出的,并以三位科学家姓名第一个大写字母命名这一理论。这一理论的核心是计算出超导体中存在电子相互吸引从而形成一种共振态,即存在“电子对”。

1962年英国剑桥大学研究生约瑟夫森根据“BCS”理论预言,在薄绝缘层隔开的两种超导材料之间有电流通过,即“电子对”能穿过薄绝缘层(隧道效应);同时还产生一些特殊的现象,如电流通过薄绝缘层无需加电压,倘若加电压,电流反而停止而产生高频振荡。这一超导物理现象称为“约瑟夫森效应”。这一效应在美国的贝尔实验室得到证实。“约瑟夫森效应”有力的支持了“BCS理论”。因此,巴丁、库珀、施里弗荣获1972年诺贝尔物理奖。约瑟夫森则获得1973年度诺贝尔物理奖。

超导体的研究进入60年代以来,重心逐渐转向对超导新材料的开发方面。开发高临界温度的超导材料将能为超导体的大规模应用创造条件。

德国物理学家柏诺兹和瑞士物理学家缪勒从1983年开始集中力量研究稀土元素氧化物的超导电性。1986年他们终于发现了一种氧化物材料,其超导转变温度比以往的超导材料高出12度。这一发现导致了超导研究的重大突破,美国、中国、日本等国的科学家纷纷投入研究,很快就发现了在液氮温区获(-196C以下)得超导电性的陶瓷材料,此后不断发现高临界温度的超导材料。这就为超导的应用提供了条件。柏诺兹和缪勒也因此获1987年诺贝尔物理奖。

超导电性现象被发现之后,不少人就想到了如何应用的问题。由于当时很多问题在技术上一时还难以解决,应用还只是可望不可及的事情。随着近年来研究工作的深入,超导体的某些特性已具实用价值,例如超导磁浮列车已在某些国家进行试验,超导量子干涉器也研制成功,超导船、用约瑟夫森器件制成的超级计算机等正在研制过程中,超导材料已经深入到科研、工业和人们的生活之中。

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