超导电性发展史话，本文主要内容关键词为：超导电性论文,史话论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
1911年，荷兰物理学家卡墨林·翁纳斯首次发现了超导电性，从此一个新的物理学分支——超导物理学诞生了。时至今日九十年过去了，超导电性的研究已取得巨大成就，尤其是1957年BCS 超导理论的提出以及其后在液氮温区实现超导的突破，更使得这一学科成为当今固体物理学中最热门的领域之一。
一
1908年，翁纳斯成功地液化了最后一种惰性气体氦（He），获得了低于4.2K（－269℃）的深低温条件。1911 年他在研究水银电阻随温度的变化时发现其电阻率并不象预料的那样随着温度的降低而减小，而是在4.15K时突然消失。为了证实这一现象，他用磁铁在水银环路中感生出电流，经过长达一年多的观察发现，只要水银环路保持在4.15K 的低温，环路中的电流就不会有能测量到的衰减。在以后的两年中，他又发现不纯的金属锡和铅的电阻也会在确定的温度下突然失去。1913年翁纳斯首次引入“超导电性”一词来描述物质的这种新的状态，随之许多科学家都投身于超导电性的研究。
1930年，超导电性的研究已有了很大的进展。首先人们发现除水银、锡、铅之外的许多金属都具有超导电性，由它们组成的材料都属于一个大家族——超导体。另外超导体的超导状态只存在于一定的临界温度Tc之下，当温度高于Tc后超导体就变为常导体，不同的超导体的Tc一般是不同的。当时发现铌的Tc最高为9.2K。由于超导电性是一种电磁现象，所以会受到一定的临界磁场Hc的限制，当磁场强度大于Hc后，超导体也变为常导体。磁场可以是外加的，也可以是由通过超导体的电流产生的，因而超导体所能承载的电流必须小于临界电流Jc。这样超导体的超导态就只能存在于由Tc、Hc和Jc构成的临界曲面内。
电阻消失并非超导现象的唯一特性，1933年两位荷兰物理学家迈纳斯和奥森菲尔德发现超导体是一种完全的抗磁体。我们知道铁、钻、镍等具有铁磁性，它们在磁场中能把磁感线拉向自己、起到集中磁感线的作用。而超导体恰恰相反，排斥所有的磁感线，并且无论是先降温后加磁场还是先加磁场后降温，只要磁场强度小于Hc，超导体内的磁场都是零。抗磁性是超导体的基本属性，称为迈纳斯效应。
对超导电性的不断认识促使科学家进行超导理论的研究。1934年戈特和卡西米尔等物理学家为解释超导体的热力学性质首先提出了超导性的二流体模型，认为超导体中的电子分为两类：一类是超流电子；另一类是正常电子。在超导态下超流电子提供超导电流，但不被晶格离子散射因而无电阻效应。1935年德藉英国物理学家F·伦敦和H·伦敦兄弟二人根据二流体模型建立起超导电动力学，提出了两个理论方程即著名的伦敦方程。
伦敦第一方程为
为超流电子形成的超导电流，这一方程反映了超导体的零电阻性质。伦敦第二方程为
它反映了超导电流和磁场的关系。伦敦方程和麦克斯韦方程相结合清楚地解释了迈纳斯效应，应该说伦敦兄弟的工作对以后的超导电性理论和实验产生了重要的影响。
二
伦敦方程的建立为超导电性理论的研究提供了方向，这便是从物质微观结构上找出超导形成的机理。经过十几年的探索，科学家首先发现超导体中的同位素效应。
要清楚同位素效应，先要知道同位素。任何元素都包括原子核和核外电子，而原子核则是由中子和质子构成。质子数相同中子数不同的元素称为同位素，它们的核电荷数相同，因而在元素周期表中占有同一位置，但质量不同。1950年两组美国科学工作者同时发现超导体的临界温度与同位素质量有关，质量高的即中子数多的超导体Tc低，Tc与超导体平均的同位素质量的平方成反比，即Tc∝M[-1/2]。 由于不同的同位素中电子的分布是相同的，因而同位素效应就表明虽然超导电性是由电子运动引起的，但必须考虑原子核的作用。也许常温下产生电阻的原因（电子受晶格离子振动的阻碍），正是低温下电阻消失形成超导的机理。
超导研究的不断深入使得具有超导电性的新材料大量出现。它们大多数属于不纯金属和合金材料，都具有迈纳斯效应。但是排斥磁场的过程却不相同，据此科学家把它们分为两类：第一类超导体在磁场达到临界强度Hc之前能把磁场全部排斥掉，而在磁场高于Hc之后，又全部进入超导体，超导体也随之变为常导体；但第二类超导体却存在上临界磁场Hc[,2]，和下临界磁场Hc[,1]，当磁场低于Hc[,1]，时超导体处于完全的超导态。但从Hc[,1]开始超导体进入混合态，这时电阻虽为零，但磁场已部分进入超导体，随着磁场的增强进入超导体内的磁场也增加，直到磁场达到Hc[,2]，磁场完全进入超导体，超导体变为常导体。研究表明不纯合金和化合物多属于第二类超导体，具有较高的上临界磁场Hc[,2]，在强磁场中仍表现出超导电性，因而它们具有重要的技术意义。1961年人们首次成功的用Nb，Sn超导线绕制成超导磁体，它可以产生70000万高斯的强磁场。
三
在超导电性发现后最初的四十多年间，科学家为探明超导的微观机制付出了艰辛的努力。他们之中至少有五位诺贝尔奖获得者，但终未取得成功，以至于这一问题被看做“理论物理学的耻辱和绝望”。但到了1957年三位美国物理学家巴丁、库柏、施里弗终于攻克了这一难关。
巴丁（J.Bardeen）是世界著名的物理学家。他因发明了晶体管而获得1956年诺贝尔物理学奖；库柏（L.N.Cooper）是巴丁请当时在普林斯顿高等研究院的杨振宁为他介绍一位既精通场论、又愿意搞超导的人时，杨振宁所推荐的；而施里弗（J.R.Schrjeffer）当时才二十几岁，刚从麻省工学院毕业慕名来伊利诺大学做巴丁的研究生。从1955年起，经过两年多的努力，他们创建了从三人英文名第一个字母组合的BCS超导理论，并因此获1972年诺贝尔物理学奖。
BCS理论的物理图象非常清晰，但要理解它，先要知道费米能态和能隙。按照量子力学中的泡利不相容原理，两个自旋相同的粒子不能处于同一状态，因此即使在绝对零度，超导体中的电子也不能都占据能量最低的状态，而是从最低能态开始逐一向高能态填充，电子最后占据的能态就叫做费米能态。在费米能态邻近的上面并没有更高的能态，而是存在一段空隙，这就是能隙。当然在那段空隙上面仍有高能态。当超导体受热时，费米能态上的电子先获得能量跃过能隙占据上面能态。
1951年古德曼首先从实验上发现超导体中确实存在能隙。此后不久，巴丁和派恩斯从理论上证明：如果在普通导体中把费米能态上面的几条能级忽略掉，就可以推算出与伦敦方程相同的公式来描述超导体的抗磁性和零电阻。因此看来，超导体只不过是引入了能隙的普通导体，只要有办法解释为什么存在能隙，就有可能在微观结构上建立起超导机理。
BCS理论认为电子都带有相同的负电荷，它们之间的作用力是库仑斥力，当两个电子A和B运动到相距很近时，电子A 就会把它附近带正电荷的晶格离子吸引向自己而使本身受到正电荷的屏蔽。这一屏蔽作用减小了A电子的有效电荷。如果屏蔽作用足够强，A电子就表现出带正电，电子B会被吸向电子A，结果相互排斥的两个电子就变成了相互吸引着的电子对。这个电子对就是BCS理论中的库柏电子对， 电子对之间的束缚能则是能隙。
库柏电子对是由动量大小相等但方向相反、自旋也相反的两个电子组成的，由于束缚能较小故两个电子相距较远，其间距要比晶格离子之间的距离大几千倍。由于电子之间的平均距离只有1?（10[-8]cm ），一个库柏电子对延伸的区域要包容成百万个其它电子，因此不同库柏对是相互纠缠在一起，单个电子根本无法独立行动。更为形象地说某个电子的扰动会立即被其它电子的散射所限制，也即所有库柏对在动量上是相互关联的，它们和晶格离子之间没有能量交换。当超导体中通有电流时，所有电子与晶格离子藕合在一起产生整体运动，电流的流动不发生变化，也就无电阻出现。当超导体的温度升高时，如电子从外界获得的能量小于束缚能即能隙时，库柏对电子是分不开的，当温度超过临界温度Tc后，库柏对分开了，能隙消失，超导态回到常导态。
在BCS理论的指导下，英国物理学家约瑟夫森1962 年发现了超导电性的另一种宏观量子效应——超导隧道效应也称为约瑟夫森效应。
根据量子力学电子具有波粒二象性，当两块金属被一层厚为几十至数百个埃的绝缘介质隔开后，电子可穿过由介质形成的势垒运动，金属块两端加上电压后可以形成隧道电流。若把金属块换为超导体，介质厚度减为10－30?，由于超导体中电子对的长程相干性。两块超导体中的电子对直接联系起来也产生隧道效应，这种结构称做超导隧导结。当通过超导结的电流小于某一特定值Ic时，结两侧的电子对可以交换，结区两端无电压，超导结可以通过很小超导电流的效应称为直流约瑟夫森效应。当通过结的超导电流大于Ic后，结的两端会出现电压，结区内会产生高频的正弦超导电流，这种高频电流还从结区向外辐射电磁波，超导结的这种在直流电压作用下产生交流电并辐射电磁波的特性称为交流约瑟夫森效应。
目前人们已制造出许多类型的超导合金和超导化合物，它们的性能各异，也不是BCS理论都能说明的。 只有电子和晶格离子的相互作用产生超导体还是存在其它的微观机制；是进一步修改BCS理论还是建立另外的全新理论，这正是超导理论工作者进一步考虑的问题，目前人们已提出一些如激子模型、双极化模型、等粒子振荡模型和共振价带模型等；但还没有一种理论模型取得完全的成功。
四
超导是低温条件下特有的物理现象，早在60年代初科学家就认识到只有把超导体的临界温度Tc提高的液氮温区（－196℃）才有条件考虑超导电性的广泛应用，因而从那时起实现高温条件下的超导就成了科学家的一项重要课题。1963年W·A·利特尔从理论上指出有机物中存在超导电性的可能，临界温度Tc可高达1800℃以上。而在实际上这方面的研究进展却相当缓慢，1973年发现的铌三锗（Nb[,3]Ge）的Tc为23.2K的纪录竟保持了十几年。但1986年之后却成了高温超导研究的丰产期，首先美国科学家朱经武发现了Tc高达52K的超导材料。其后临界温度Tc 越来越高的新的超导体不断出现。1990年日本日立研究所报导发现了Tc为160K的超导体，在后还有过Tc为240K的报导，但是确定一种材料具有超导电性，除必须观察到零电阻和抗磁性等现象，材料还要具备重复性和稳定性。因此目前超导材料最高临界温度Tc仍在100K左右。
超导体的另一个重要指标是临界电流Jc的大小，如果Jc小于10000A／cm[2]，超导材料在很多方面就无法与其它导电材料竞争，今天已发现Jc高达10[5]A／cm[2]，的超导材料，而且这远不是Jc的极限。
超导材料具有的零电阻、高临界磁场、高临界电流等特性使其具有极大的应用价值。早在六十年代，各种中小型超导磁体就出现于核磁共振仪、穆斯堡尔谱仪等多种仪器之中，到了七十年代研究高等物理的大型设备如加速器、分析器等也广泛地使用了超导技术。1978年日本利用超导体的强磁场制造出的超导悬浮列车的样机速度高达577km／h，并且行驶平稳无噪音。
由于超导体没有电阻，用它制做的电动机、发电机体积小、重量轻、无热损耗。科学家估计未来用超导材料制做的人造卫星的体积将与篮球一样大。对于临界磁场为10万高斯的超导磁体，其能量密度可在4×10[7]J／m[3]以上，用它制做的大型储能装置是目前军事强国开发定向武器的技术基础。
超导的另一重要应用就是利用超导隧道效应制做的超导量子干涉器件，它具有速度快、不发热、噪声小、灵敏度高等其它任何器件无法比拟的优点。超导量子干涉器件的电压灵敏度达10[-17]V，磁场灵敏度达10[-11]高斯， 用它制做的医疗仪器可以测出心脏磁图和眨眼睛及声音感应脑磁图。用它制做其它测量仪器也已广泛使用于空间科学、地球物理等领域。
约瑟夫森隧道结做为开关元件具有速度高、功耗低的特点，其开关速度比半导体元件快10－20倍，而功耗仅为后者的千分之一左右。因而超导技术为未来计算机的高速度、高性能、小体积。重量轻带来极大的希望。
当然超导技术的应用范围远远不止这些，未来超导技术的发展和应用将会使人类在“体力”和“智力”两个方面获得远远超过以往的更大解放，整个人类社会的发展将会实现一次更大的飞跃。