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发信人: crazy (雪山), 信区: Science
标  题: 高温超导技术的突破(1)
发信站: 紫 丁 香 (Mon Mar 27 03:00:09 2000), 转信


    昂尼斯的意外发现
    1911年初春，一个寒意尚未消尽的夜晚，荷兰莱顿实验室灯火通明，大物理学家
昂尼斯还在紧张地忙碌着。
    几个星期以来，他一直想采用一种手段力求使汞的温度冷却到接近绝对零度（即
0K，K＝－273℃），但他没有成功，眼睛熬红了，身体消瘦了，始终没有找到合适的
冷却剂。后来，还是他的学生兼助手霍尔斯特提醒了他，可不可以试一下 3年前液化
成功的液态氦。今天，他试着利用液态氦进行冷却，终于使汞的温度冷却到接近绝对
零度。他十分高兴，几个星期以来的疲劳一扫而光。当他将电流通过汞线，测量汞线
的电阻随温度变化时，一个奇异的现象出现了：当温度降到4.2K时，电阻突然消失了。
昂尼斯的神经立即绷了起来，他简直不敢相信自己的眼睛，他让助手重新做了一遍测
试，结果发现还是出现了电阻消失的现象。昂尼斯和助手紧紧地拥抱在一起，流下了
滚烫的泪水。就是在这一天晚上，人类的一项伟大的发现诞生了，昂尼斯称这种现象
为物质的超导性，他称汞这时进入了“超导态”，称电阻为零的温度为转变温度。
    不久，昂尼斯又发现了其他几种金属也可进入“超导态”，如锡和铅。锡的转变
温度为3.8K，铅的转变温度为6K。由于这两种金属的易加工特性，就可以在无电阻状
态下进行种种电子学试验。此后，人们对金属元素进行试验，发现铍、钛、锌、镓、
锆、铝、锘等24种元素是超导体。从此，超导体的研究进入了一个崭新的阶段。
    遥远的“永动机”梦想
    昂尼斯的发现具有重要的科学价值和实用价值。多少年来，科学界一直都在嘲笑
那位幻想制造“永动机”的天真人士。那么，“永动机”难道永远都是梦想吗？会不
会有一天人类真的制造出“永动机”?
    永恒的梦想一直被认为是理想主义的行为，在现实生活中是难以实现的。比如钟
摆，理想的状态应该是摆动后永不停止。但是，由于空气的阻力和自身的摩擦力，它
运动一段时间就会停下来。
    电烙铁接通电源后就会发热，进而达到熔化焊锡的程度，这是由于电流的热效应。
但是，在许多情况下，我们所需要的不是热能，像我们希望从白炽灯得到光，从电动
机得到机械能，从发动机得到电能衰减。他做了一个重要实验，将电流通过冷却到4K
的铅线回路，一年后电流仍然没有减弱地流动着。
    由于电流可以产生磁场，昂尼斯相信，超导线圈可以形成大的工业磁体。这样的
超导磁体由于超导线圈内没有电阻损失，则无需提供连续的能源而运行。因而，人类
永恒的梦想就可以实现。
    艰难的探索
    超导现象的发现也并不是偶然的，它是人类长期艰苦探索的结果。
    1891年，路易·加莱泰在法国、拉乌尔·皮克泰在瑞士成功地使微量的“永久气
体”——氮、空气和氢液化。俄国的乌罗勃列夫斯基要求格拉斯科进行实验，成功地
得到一定量的液体空气。他发现纯金属的电阻率与温度的关系有些奇特：看上去好像
是在绝对温度零度附近其电阻会完全消失。这个奇妙的可能性促使产生了能预示从零
电阻到无穷大电阻的许多限制低温性能的理论。
    第二年，英格兰的詹姆斯·杜瓦发明了以他的名字命名的真空绝缘镀银玻璃容器。
利用这容器他获得了其量可供做实验用的液态氢，并且将温度进一步降低。在这一温
度下，他发现金属的电阻并没有消失，只是电阻已不随温度而变罢了。
    最后，在威廉·拉姆齐发现地球上有氦之后不到20年，即1908年，坎默林·昂尼
斯又成功地使之液化。液态氦使实验室实验的温度降低了一个数量级。3 年以后，坎
默林·昂尼斯及其学生霍尔斯特又发现，当在液态氦中冷却汞时，试样的电阻在临界
温度时会突然消失。以后在进一步的实验中感应产生的持久电流仍没有明显的衰减。
    继昂尼斯之后，于1933年，柏林麦斯纳的超导实验室又有一重大发现，即所谓麦
斯纳效应。麦斯纳与其同事俄逊菲尔德在试验中发现超导体具有令人惊奇的磁特性。
如果超导体碰到磁场，将在超导体表面形成屏蔽电流以反抗外界磁场，使磁场不能穿
透超导体的内部，而在其内部仍保持零磁场。逆向试验得到相同的结果，即首先将某
材料置于磁场之中，然后将这种材料冷却到超导状态，该材料同样生成屏蔽电流并排
斥出磁场。这种现象因此称作麦斯纳效应，也就是在超导体内部磁感应强度为零，电
流在表面流动。该效应可用一个试验来演示：一块永磁体可以使浸泡在液氮中的超导
体悬浮起来。
    只有当磁场较小时才会出现麦斯纳效应，如果磁场过大，磁场将穿透金属内部，
从而金属失去超导性。
    1957年，依利诺伊大学的巴丁、库柏和施里弗提出了一个理论，后来称之为 BCS
理论(取自三人姓名的字头)，该理论较好地解释了超导现象。
    BCS 理论是用量子力学来描述超导体系统状态的理论。正常态的电子是互相排斥
的，超导态时，电子相互作用，使电子两两相互吸引，形成电子对，称之库柏对。含
有库柏对电子的金属具有较低的能态。量子力学可以说明电子对的总动量在与金属正
离子碰撞时不损失，在低能态下，库柏对电子就像无阻力的流体一样易于流动。
    后来，吉埃弗观察到电子在超导体之间的隧道现象，即电子从一个超导体穿过薄
绝缘层到达另一超导体；随后，英国的约瑟夫逊推测 BCS理论提到的库柏对也可通过
薄绝缘层，这个预言很快被贝尔实验室所证实。
    1962年，当时是剑桥大学研究生的约瑟夫逊分析了由极薄绝缘层（厚度约为百万
分之一毫米）隔开的两个超导体断面处发生的现象。他预言，超导电流可以穿过绝缘
层，并且，只要超导电流不超过某一临界值，则电流穿过绝缘层时将不产生电压。他
还预言，如果有电压的话，则通过绝缘层的电压将产生高频交流电。这些预言在1963
年被罗威尔等人用试验证实了，这就是所谓的约瑟夫逊效应。约瑟夫逊效应是超导体
的电子学应用的理论基础。
    1957年，苏联物理学家阿伯里柯索夫就预言，一定存在着具有更好性能的新超导
体材料，这些材料即使处在很高的磁场中也能实现超导化，磁通线可以穿透材料，但
磁通线之间的区域将没有电阻地携带着电流。阿伯里柯索夫称之为第Ⅱ类的超导体材
料，为开发商品化的超导磁体提供了理论基础。
    不久，即1960年昆磁勒和他的同事在贝尔实验室的试验中发现一组超导化合物和
合金(第Ⅱ类超导体)，它们可以携带极高的电流，而且在强磁场中仍具有超导性，使
人们又重新恢复对超导磁体和超导强电部件的浓厚兴趣。
    超导记录不断被刷新
    自从1911年发现汞的超导性以后，又发现了23种纯金属也具有超导性。包括汞在
内，24种纯金属超导材料的临界温度范围为0.1K～9.13K。最高温度为9.13K的是铌元
素。
    为了寻找较高临界温度的超导材料，在50年代早期，科学家们将注意力转向了合
金和化合物。1952年，发现了临界温度为17K的硅化钒，不久又发现了临界温度为18K
的铌锡合金，这在那时是最高的临界温度。
    1960年，昆兹勒发现了铌锡合金在 8.8万高斯磁场中仍具有超导性。他正是第Ⅱ
类超导体。以后，又陆续发现了若干铌系列合金超导体。
    1973年，发现了铌锗合金，其临界温度可达 23.2K，这一发现又激起了科学家们
寻找高温超导体的热情。
    第Ⅱ类超导体发现后，美国和英国的一些公司又花了近10年时间开发可靠的超导
产品。
    人们从金属和合金中寻找超导材料的工作进行了75年，临界温度最高只达到23.2
K。1986年出现了突破性的进展，美国IBM公司瑞士实验室的研究人员米勒和贝德诺尔
茨于1986年1月发现了临界温度为35K的锎钡铜氧化物陶瓷超导材料，这一温度比1973
年的记录又提高了 12K。更重要的是发现陶瓷超导材料，改变了从金属和合金中寻找
超导材料的传统思路，在金属氧化物中找到了突破口。他们的研究结果在1986年 4月
发表后，立即引起世界上超导研究者的关注，并很快形成世界性的超导热。人们进入
了在多元素化体系中寻找高临界温度超导体的竞赛。1987年 2月，中国、日本和美国
先后报导了临界温度超过氮气液化温度 77.3K的超导体研制成功的消息。也就是在这
一时期，高温超导进入了一个突飞猛进的发展阶段。在这个研究领域中，中国、美国
和日本处于领先地位。
    高温超导材料高于35K的超导材料均为金属氧化物，亦即陶瓷材料。高于77.3K的
超导材料的金属中除一例外，均含金属铜，其中比较典型的是钇、钡、铜氧化物。
    80年代中期以来，新发现了1300多种超导材料。
    1994年1月18日美国宣布：美国能源部阿贡国立实验室和纽约专门生产超导磁铁、
线圈和超低温制冷设备的 IGC公司，共同研究并制作出高温超导体磁性线圈组。在液
态氦的冷却下该线圈能产生2.6特斯拉强磁场。比地球磁场强7.8万倍，打破了他们去
年8月以来保持的1.65特斯拉纪录。
    1995年2月27日，美国IBM公司下属的沃森研究中心的科学家说，他们对高温超导
机制的研究取得了重大的突破。
    尽量提高超导体的温度特性，是全球科学家的竞先研究的目标。相信不远的将来，
会有越来越多的超导体记录被刷新。

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