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发信人: cs (cs), 信区: Physics
标  题: 世纪发现之--超导
发信站: 哈工大紫丁香 (2001年05月31日12:26:45 星期四), 站内信件

〖本文摘自《百年科学发现》〗
　　　　　超导——梦能变成现实吗？
　　　　　　　　·黄烨·
超导物理学的诞生
　　奇异的低温世界里隐藏着大量的奥秘，当温度逐步下降时，许多
材料会发生有趣的物理变化。许多年来，人们一直试图把温度降下
去，可是直到二十世纪初，人们才如愿以偿，一步一步接近了自然
界低温的极限--热力学温标零度（0K或-273℃）。1908年，荷兰科
学家昂纳斯成功地获得了4K的低温条件，使最难液化的气体氦变成
了液体。三年以后，昂纳斯发现了超导电性，即在4.2K附近，水银
的电阻突然变为零。这一伟大的发现导致了一名新兴学科的堀起，
诞生了超导物理学。
　　超导电性是如何发生的呢？1957年，美国的巴丁、库柏和施瑞
弗三位理论物理学家提出了BCS理论（以三人名字的第一个字母命
名的理论），成功解释了有关超导电性的物理性质。从经典的金属电
子论来看，超导电性简直不可思议。经典的金属电子论指出，当自
由电子在由原子实组成的晶格中作定向运动时，由于原子实在做不
停原无规则热振动，电子运动受碰撞而改变方向形成了电阻。但超
导电性是一种宏观量子现象，只有用量子力学的语言才能给予正确
的解释。在量子力学建立以后，人们很快认识到不能将电子看作在
外场中运动的粒子，而应把电子看作是在原子实点阵的周期势场中
的波。
　　而一个重要的实验结果--同位素效应揭示出超导电性与电子和
晶格的振动有关，同位素效应指出超导体的临界温度随同位素质量
而变化。同时，经验公式也暗示出点阵振动对超导电性具有重大影
响。正是从这一点出发，库柏首先认识到一对电子通过与晶格振动
的相互作用而存在吸引作用而形成电子对的束缚态。库柏还指出，
只有两个电子具有大小相等而方向相反的动量和相反的自旋才能通
过晶格振动结成电子对的束缚态--库柏对。在多电子系统的金属中，
可能存在这种束缚电子对--库柏对的集合而导致了超导电性。这就
是人们一直在寻找的超导态物理图象，也是建立超导电性微观理论
最重要的物理概念。
　　库柏对发现不久，巴丁、库柏和施瑞弗三人将这一概念应用到
超导问题，完成了现代超导微观理论，并成功解释了有关超导电性
的物理性质。正所谓"单个前进有电阻，结伴成行才超导"。
　　德国马克斯·普朗克协会1999年4月宣布，该协会固体研究所
与美国普林斯顿大学的科学家合作进行的中子散射实验，揭示了高
温超导金属氧化物电子自旋对的特殊行为，在高温超导机理的研究
中前进了一大步。
　　据马克斯·普朗克协会介绍，德国和美国物理学家猜测，金属
氧化物的高温超导现象中存在电子自旋对，但其机理与传统的金属
超导理论不同。利用法国萨克雷和格勒诺布尔的实验反应堆，对高
温超导金属氧化物进行了中子散射探测。他们在实验中发现，当铋
锶钙铜氧化物发生高温超导现象时，所有的电子自旋对突然以同一
状态运动。这一现象通常存在于磁性材料中。因此，科学家猜测，
磁场可能在高温超导材料的电子自旋对形成中发挥了重要作用，由
此可推导出一个描述高温超导的理论，并帮助设计临界温度更高的
高温超导材料。
超导物理学的发展
　　与此同时，科学家们在实验室里奋战，终于发现超导体组成了
一个庞大的家族。但是，提高超导临界温度的工作却遇到了极大的
障碍，直到1986年，人们所发现的具有最高超导临界温度的材料--
铌锗合金的超导临界温度仅为23K（-250℃）。面对浩翰的材料家庭，
经过无数的挫折和失败，研究工作似乎到了山穷水尽的地步。另一
方面，对于超导体而言，只有零电阻现象是不够的，要判断材料是
否处于超导态还必须判断其是否具有完全抗磁性--迈斯纳效应（当
施加一个外磁场时，样品内部的净磁通密度为零的特性称为完全抗
磁性，磁悬浮实验可以演示这一效应）。只有同时具有零电阻现象和
完全抗磁性的材料才有希望成为真正的超导体。
　　1986年7月，瑞士物理学报上发表了一篇标题为《可能的高温
超导体--镧钡铜氧化物》的文章，作者是国际商用机器（IBM）苏黎
世研究室的米勒和贝德诺茨博士，文章中提到这种氧化物在35K时
开始发生超导转变。这一划时代的发现，当时并没有引起低温物理
学界的重视。但是，有一些物理学家从镧钡铜氧化物的工作中看到
了进一步提高超导转变温度的途径，同时认识到，这一工作一旦被
证实，将是对传统超导体的一个挑战。少数人开始在实验室里埋头
苦干，首要的工作是重复和深化米勒和贝德诺茨的工作。人们在研
究后发现，米勒和贝德诺茨在工作中使用了即包含非超导相又包含
超导相的复相化合物，使材料的零电阻温度大大低于35K，而非超
导相的含量不仅降低了零电阻温度，而且决定了能否测出完全抗磁
性。
　　从这些分析出发，中、日、美三国科学家在各自的实验室里进
行研究。同年12月，日本新闻媒介报导了日本东京大学在30K实现
了零电阻转变并观察到了完全抗磁性。随即中国也向全世界宣布的
我国科学家在40K已经实现了超导转变。随之而来的是中、日、美
三国的科学家都相继利用媒体宣布他们的最新研究成果，超导转变
温度的最高记录一次又一次地被刷新，但是，在镧钡铜氧体系和镧
钡铜氧系的氧化物超导体中，超导转变温度始终没有超过50K。
高温超导体的发现及其发展
　　1987年2月，美国休斯顿大学朱经武领导的研究小组和中国科
学院物理研究所赵忠贤领导的研究小组独立地、几乎同时获得了钇
钡铜氧化物超导体，把超导转变温度一下子提高到90K。这意味着
把在液氦温度（4.2K）下才能使用的超导体变到了很容易实现的液
氮温度（77K）。为了与原有的、在液氦温度下的超导体相区别，人
们把氧化物超导体（T≥77K）称为高温超导体。高温超导体的发现
在科学界以及工业界产生了巨大的影响，人们开始更加关注并超导
的研究。
　　1987年3月，在纽约召开的美国物理年会上举办了一次高温超
导特别专题讨论会，来自世界各地的约5000名学者会聚一堂，展开
了热烈的讨论。五个处在高温超导研究最前列的研究单位宣读论文，
分别介绍了各自的研究进展。在特邀报告后，与会代表争先恐后地
走向讲台介绍自己的工作，讨论会从晚上7点半开始一直延续到第
二天清晨3点多，中间没有休息。高温超导的研究吸引了大量的研
究人员，每个人都在竭尽全力地继续提高超导转变温度。当时，科
学家们关心的是超导转变温度有没有上限？是否存在室温超导体？
如果室温超导体的想法得以实现，那么可以将电力无损失地输送到
远方，这将会是一场真正的工业革命。
　　媒体一次又一次地报道发现了室温超导体，第一次报道都引起
一场狂热的研究浪潮。但是，科学就是科学，许多所谓的"室温超导
体"都因为缺乏完全抗磁性的支持而被判了死刑。关于新超导体的四
项判断准则被提了出来，并很快得到公认。这四项准则是：一，必
须在一个确定的温度实现零电阻转变；二，在零电阻转变温度的附
近必须观察到完全抗磁性（迈斯纳效应）；三，这一现象必须具有一
定的稳定性和再现性；四，这一现象必须为其他实验室所重复和验
证。
　　全球性的超导热在1988年达到了顶峰，其主要因素之一可能是
高温超导体易于制作。传统超导体多半为金属和合金，制备需要真
空冶炼等复杂工艺和设备。但高温超导体（及氧化物超导体）的制
备却十分简单，在实验室里，人们看到的不过是普通的箱式电炉或
管式电炉，研究人员用电子天平称量不同的氧化物或碳酸盐的白色
粉末，把它们一起放在研钵里仔细地混匀、研磨，直到白色粉末的
混合物变成了均匀的黑色粉末；将这些粉末压成药片大小的贺圆饼，
放在电炉里烧结，就产生了高技术产品--氧化物超导体。
　　这一景象使所有的外行人大吃一惊，这不像是第一流的科研机
关，而更像中世纪的小作坊。氧化物超导体制备的简单使其更易于
普及，在世界的各个国家，连最落后地区的大学都成立了高温超导
研究的中心，甚至许多外行人和中学生也想亲手尝试制备这划时代
发明的味道。在北京的某些中学，中学生们在科研人员的指导下毫
不费力地制成了超导转变温度为90K的钇钡铜氧化物。
　　当超导转变温度为90K的钇钡铜氧化物超导体出现以后，从事
超导研究的人员激增，研究的领域迅速扩大。在超导研究的高潮中，
大约每年都有几千篇论文发表，其中大量的工作都集中在改善工艺
和开发新型超导体上。科学家们经过研究证实，已经发现的氧化物
超导体镧钡铜氧化物（LBCO）和钇钡铜氧化物（YBCO），在结晶学上
都是一种钙钛矿型结构，也就是说，它们都是由钙钛矿型结构演变
而来的。因此，钙钛矿型结构是解决已发现的超导材料的秘密关键
所在。另外，对LBCO和YBCO氧化物超导体的研究还发现，它们都
是百理想配比氧化物。一般氧化物都是理想配比氧化物，即阳离子
的总价态和阴离子的总价态相等，以保持化合物的电中性条件得以
满足。而对非理想配比氧化物而言，为了保持电中性条件，必须从
氧化物超导体的晶体中抽走一部分氧，这是合成和开发氧化物超导
体的另一关键所在。在这一思路的指引下，科学家们在实验室内不
断改变配方，不断更换元素来合成可能的氧化物超导体。
　　第三代氧化物超导体（Bi系氧化超导体）的发现证实了在具有
氧缺陷的层状钙钛型氧化物中寻找新型氧化物超导体是行之有效的
方法。另外，法国科学家米歇尔和勒沃等人另辟蹊径，开发出一种
无稀土的氧化物超导体。由于LBCO和YBCO中都含有价格昂贵的稀
土氧化物，这对大规模使用氧化物导体是不利的，开发不含稀土的
高温氧化物超导体是许多科学家和企业家追求的目标之一。在米歇
尔和勒沃等人的基础上，日本科学家马以达等人合成了另外两种新
氧化物导体，这三种化合物被称为铋系氧化物超导体。
　　同时，美国阿肯色州立大学的荷尔曼和盛中直发明了第四代氧
化物超导体及铊系氧化物超导体，超导转变温度达到了125K。到1988
年底，开发新的氧化物超导体的研究达到高潮，在短短的两年内，
不但开发出了新型氧化物超导体，而且把超导转变温度从90K提高
到125K。
　　寻找出室温能实现超导转变的材料就要在氧化物超导体上实现
了，这一梦想具有不可抗拒的诱惑，几乎所有的科学家都表示："不
能轻易否定室温超导体的存在"。 在此期间还有过许多关于发现了
室温超导体的报道，日本、前苏联和美国等多国科学家都曾宣称在
室温附近观察到了显示出超导电性的迹象或某些反常，也有人根据
量子化学估算出氧化物超导体的最高临界温度可达200K-250K。尽
管如此，在严格的推证之后，所有消息没有一条在科学上是成立上，
也就是说，室温超导体的消息都被否定了。时至今日，仍然可以偶
然听到有关室温超导体的报道。从米勒和贝德诺茨的发明开始至1992
年初，有70余种氧化物超导体被开发出来，但所有的氧化物超导体
的临界温度都低于125K，室温超导仍是不解之谜。
　　1913年，昂纳斯曾经想到：即然超导体没有电阻，通过电流时
也不会发热，肯定会传输非常大的电流。于是，他企图用超导体铅
线制作一个超导电磁体，以得到很强的磁场。出乎意料的是，这种
超导体并不能通过很大的电流，也就是说当通过的电流达到或超过
临界值时，超导体便从超导态转变为正常态。这是因为，当超导体
通上电流以后，电流本身也会产生磁场。当该电流在超导体表面产
生的磁场强到一定程度，即达到或超过临界磁场时，超导体的超导
态便被破坏。超导态的三大临界条件：临界温度、临界电流和临界
磁场，三者密切相关，相互制约。
　　八十年代，在人们不断加速开发新型氧化物超导体的同时，一
声提高临界电流的竞赛也在进行着。临界电流是使超导体失去超导
电性的最大电流值，无论从科学研究还是从实用化的观点来看，临
界电流的值越大越好。氧化物超导体的制备十分简单，但获得高临
界电流的氧化物却不容易。中、日、美等国的研究机构都加入了这
场竞赛，在提高临界电流上也取得了一定的进展，但它离真正在工
业上的应用这一目标还相差很远。很多大公司相信，一旦临界电流
的问题得到解决，那么超导直线牵引的高速列车、超导电机、超导
计算机将很快问世。虽然人们都对其前景寄以厚望，但这一问题不
象高温超导体研究初期时科学家们估计的那么乐观，短期内似乎也
没有取得实质性突破的可能。
高温超导体的应用--梦想和现实
　　高温超导体发现之后，人们认为，不久以后，高温超导体必然
会成为新的技术革命的主角。一种新的科学技术成熟到某种程度必
然会成为新的技术革命的推动力，而高温超导的研究和高温超导技
术也日渐完善。虽然高温超导体要达到工业的大规模应用还需克服
若干障碍，但持乐观态度的人们甚至已经开始计算高温超导体的应
用会形成多大的产业，并对所有人的日常生活产生巨大的影响。
　　其中，人们首先想到的是高温超导体在强电方面的应用，这将
对远距离的电力输送、发电机和电动机的超导化以及其他大型电机
设备的形状和性能上引起一场革命。事实上，超导体在强电方面的
应用并不是一个新话题，从超导体出现的1911年开始，人们就梦想
在电力工业上应用超导体。例如超导发电机、超导电动机、超导变
压器等，其中超导的电力输送似乎是一个最古老的"梦"。
　　由于传统的电力输送过程中，送电、变电、配电的每一步都有
电阻存在，大量的电力在输送过程中被白白浪费了，而且为了实现
远距离送电，为了克服电阻还要用非常高的电压。而使用超导体输
送电力既安全又省钱，一旦成功，将彻底改变目前电力工业的状况。
在高温超导热的年头，室温超导似乎呼之欲出，如果使用室温超导
体送电，不需要液氮，其优点是十分明显的。但室温超导体没有出
现，超导电缆送电目前仍是一个神话。经过近一个世纪的发展，梦
想仍然没有变成现实，所有的工作仍停留在实验室研究的水平上。
　　1999年9月，日本东京电力公司和住友电气工业公司试制成功
一种超导电缆，能大大减少输电过程中的损耗。这种超导电缆使用
温度为零下196摄氏度液氮进行冷却。即将进行实证试验的超导电
缆长100米，电压66千伏，输电容量10万千瓦。实证试验将进行
1年。如果试验成功，那么现有的内径150毫米的地下管道输电能
力可达到100万千瓦，将大大节省铺设地下电缆的费用和地下空间。
两公司计划于2001年6月对其进行首次实证试验。
　　日本从80年代后期开始研究超导技术，并且一贯重视此项技术
在电力工业上的应用。迄今为止，有关企业已经成功地进行了超导
发电机联网的实证试验和超导变压器的实证试验，超导技术在发电、
变电和输电方面的应用即将达到实用化水平。据认为，这将给日本
的电力工业带来革命性变化。
　　其次，人们预计高温超导会在能源工业上大有作为，超导贮能
来调节电网的负荷、超导磁体约束的等离子体和由此可能产生的核
聚变。这些应用在世界上的能源日益紧张的情况下，有着不可抗拒
的诱惑力。由于石油资源的消耗日渐增长，有人担心工业化过程是
否会带来第三次的能源危机，在许多场合下，原子能成为新的能源，
各国纷纷建立的核电站正向人类提供廉价又丰富的电力。目前，核
电站中使用的核裂变反应都是指放射性的铀235的原子核裂变，与
核裂变过程相比，聚变反应能释放出更多的能量。而为了使核聚变
反应持续进行，必须将处于1亿度到2亿度高温的等离子体高密度
的约束起来，在如此高温的情况下不能使用容器，只能在磁场中进
行约束。目前，使用常规磁体将等离子约束在空中，但要达到实用
的可控聚变反应堆，需要大量电力，有点得不偿失，而使用超导磁
体可以减少所需能量。
　　日本九州大学超导科学研究中心1999年9月9日宣布，它成功
地进行了超导变压器的实用性测试，这意味着超导变压器已经可以
付诸实用。这次试验使用温度为零下196摄氏度的液氮进行冷却。
研究人员把直径20厘米、高度分别为50和20厘米的两种超导变压
器线圈放入装有液氮的容器中，施加比正常水平高10倍的电流和高
5倍的电压。试验结果表明，超导线圈承受住了过强的电流和过高
的电压，已经达到实用水平。此外，与使用液氦冷却相比，使用液
氮的成本更低廉，效率也更高。
　　该中心计划在1999年年底制造变电容量为500千瓦的超导变压
器，从明年5月开始在九州电力公司的电网上进行试运转，并将在
此基础上，尽早把这一技术用于地下变电站的配电变压器。
　　第三，高温超导体在电子学方面的应用是最现实、也是最具吸引
力的，其应用范围不仅限于医学、探矿等方面，也极有可能会渗入
人们的家庭生活。例如超导微带线可以用在大规模集成电路中传送
微波信号；用超导电子学器件来制造计算机，可以使个人计算机具
有超级计算机的性能；安装超导滤波器可以使电视或音响上的音乐
更动听；超导量子干涉器件可以探测地下矿藏、甚至可以探查人脑
思维之谜。利用高温超导体产生的强磁场可以使药物导弹运动到人
体的患处，更有效地进行诊断和治疗，实际上，在先进国家，这一
想法正在变成现实。而强超导磁体在核磁共振计算机断层诊断装置
上的应用使其分辩本领大大提高，人们能够诊断出更早期的癌症。
人的身体主要元素都是轻元素如碳、氧、氢，实验证明，癌细胞或
其他染病细胞中水的氢，由共振态恢复到正常态的时间比正常细胞
的时间长，把不同的时间信号经过计算机处理可以进行癌变的诊断。
使用核磁共振断层诊断装置进行诊断时，检测的灵敏度在某种意义
上取决于所加磁场的强度，而高温超导体可以产生极强的磁场，甚
至比一般的磁体产生的磁场强度高几个数量级。事实上，癌症的诊
断手段超导化已经被高温超导体推向了现实。
　　另外，高温超导体还可以在交通运输和国防技术上有用武之地，
例如超导悬浮列车、超导船、超导陀螺仪，以及超导磁屏蔽系统等
等。
　　在高温超导体发展的初期，人们的确对超导体的迅速实用化寄
予厚望，并指望高温超导体会和晶体管、激光一样成为近代的三大
产业。在高温超导研究最热的年头，人们甚至认为它将比晶体管和
激光实用化的过程更短。但是，很多有识之士对此提出了疑问，因
为虽然高温超导的研究进展十分迅速，但仍没有在提高临界电流和
线材方面取得实质性的突破。随着研究的深入，越来越多的人认识
到，大规模应用超导体并形成一定的产业是一场艰巨的任务，可能
还需要很长的时间。要完成科学到产品的转化是一场旷日迟久的艰
难历程，绝不是一蹴而就的。而科学技术的发展在历史上有许多相
似之处，在半个世纪以前晶体管问世前后，人们一方面对这一发明
寄予重望，一方面又担心成不了气候，当时半导体材料和半导体器
件确实有许多不足之处。随着半导体科学的研究和材料制造工艺以
及晶体管制造和设计的进展，半导体开始在收音机、录音机等上使
用，并逐渐进入了人们的家庭生活，形成了巨大的产业。高温超导
体的实用化也许正处于当年半导体实用化前的相似阶段。目前，各
国都在进行超导磁体和超导电子学两方面的研究，人们估计这两相
方面将是高温超导体实用化的突破口，一旦出现突破，它将迅速渗
透到能源、材料、激光、高能物理工程、空间技术、交通运输、计
量技术、电子技术、医疗工程和地质科学等各个领域，人们将生活
在真正的超导世界里。

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