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整理人: jeter(2000-10-06 23:09:44), 站内信件
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超导史话
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送交者: 兔砩娇 于 October 02, 2000 09:42:21:
超导史话
——土庙山客
谁说得来着？“偶然存在于必然之中，必然来源于偶然。”反正这超导的
出现，是属于这“无心插柳”的发现，进而培育了许多诺贝尔奖“成荫”
的东西。
话还得从100多年前说起。1898年，物理学家James Dewar成功地将氢气在
绝对温度20度下液化，得到了当时最低的温度。而那时，氦气是唯一没有
被液化的气体了。全世界从事低温的科学家都在试图挑战液化氦气。而一
位荷兰的物理学家，Kamerling Onnes，就是其中一位。他于1882年开始
从事把气体在低温下液化的研究。1908年，他领导的实验室成功地得到了
0.28升液化氦气！比液化氢气晚了十年！而在以后的近20年中，没有其他
实验室拥有ONNES的低温技术。因为氦气的沸点为4.2K，因此，ONNES可以
进行许多低温下的工作，而别人则无此条件。因为利用液氦，可以维持一
个非常稳定的极低温环境。然后，ONNES想看一下，如果不断降低温度，
那些导体以及金属的电特性将会如何？他首先选金作为实验材料，可是他
无法得到极纯的金来研究金的真正低温特性。因此，他选用水银来做实验。
1911年是一个激动人心的年代。当时，ONNES的助手，Gilles Holst把一
小管水银放在液氦槽中，试图检测水银电阻与温度的关系。可是，当他把
温度降到4.2K附近时，HOLST发现，实验他现有的仪器无法测到水银的电
阻。在高于4.2K时，水银的电阻是比较大的，可是当温度降低时，水银的
电阻急剧降低到仪器的灵敏度以下！而在当时，人们普遍都接收了DEWAR
的观点：低温时，电阻将平滑地降到零。而HOLST的实验却是在某个温度，
急剧地降到零。开始，Onnes很怀疑这个实验。他反复做实验，以图发现
实验上的毛病。开始，实验是可重复的，而且得出一样的结果。这样，于
1911年4月，Onnes小心翼翼地报告了他的实验结果"the resistsance
would, within the limits of experimental accuracy, become zero."
(H. Kamerlingh Onnes: Adad. Van Wetenshappen (Amsterdam),
vol.14, pp.113, 1911)同年年底，在重复了大量的实验后，他不再怀疑
他的发现。他在论文这写道：当温度低于某一特征温度时，"the mercury
had passed into a new state, which on account of its
extraordinary electrical properties may be called the
superconducting state."(H. Kamerlingh Onnes: Adad. Van
Wetenshappen (Amsterdam), vol.14, pp.818, 1911)
《现在，我们把这个特征温度记为Tc.》是ONNES第一次引入了“超导”
这个词：即比良导体还要“良”的导体。他进一步的实验表明，水银的
纯度并不影响这种超导特性。
因为在当时，只有他的实验室能够达到如此低的温度。只有他能够作出
超导特性的实验研究，因此，超导的发现在当时并没有引起极大的重视。
1913年ONNES获得了诺贝尔物理学奖，以表彰他在"researches on the
properties of matter at low temperatures"的贡献。而对于他的超导
的发现，则没有人重视。1913年，他又发现了两种新的超导体材料：铅
和锡。而这两种材料比水银更容易做实验。这一年，他发现超导材料有
一个“阈值电流”存在，当施加在超导体上的电流密度超过这个阈值电
流时，超导体将丧失超导特性，而成为正常导体（现在我们把这个“阈
值”称为特征电流密度Jc）。而且，他也发现，这个电流密度值是温度
的函数。1914年，ONNES又开始研究外加磁场对超导特性的影响。他发现，
当外加磁场强度超过某一值时，同样，超导体也会失去超导能力，而成为
正常导体。他把这个值叫“特征磁场强度值Hc”，而且也是温度的函数。
我们可以看到，到1914年，ONNES和他的同事不仅发现了超导现象，而且
发现了许多决定超导特性的其他现象如：温度、电流强度、磁场强度等等
可以使超导体失去超导特性。
到了20年代底，世界上已经有许多实验室可以实现液化氦气了。因此，
许多人开始研究材料的超导特性。而如何界定一个材料是处于超导状态
还是正常状态的化时代的实验则是由德国科学家Walther Meissner和
Robert Ochsenfeld于1933年用单晶锡所做的实验：超导体排斥磁通
(W. Meissner and R. Ochsenfeld: "Ein Neuer Effekter bei
Eintritt der Supraleitfahigkeit," Naturwissenschaften, vol.21,
pp.787-788, 1933）。而大量实验表明，良导体（进而理想导体是能
捕获所包含的磁通的）。现在我们把MEISSNER发现的现象称为Meissner
（迈斯纳）现象。
由于这些超导体的转变温度都太低，因此，许多科学家开始寻求高转变
温度的超导体。因此，大量的超导材料被相继发现。他们的转变温度从
0.01K（钨）到9.3K（镍），甚至硅在一定的压力下以及低温下，也呈
现出超导特性。但令人惊奇的是那些传统的良导体如铜、铝等等，却没
有发现具有超导特性！30年代初期，人们发现单质金属不能提供高的超
导转变温度。MEISSNER、W. J. DE HAAS等人开始把目光投向复合金属
和合金。到了50年代，人们已经发现V3Ga(Tc=16K)，Nb3Sn(Tc=18K)，
而1971年获得了高达23K的Nb3Ge。这个纪录一直保持到1986年底高温超
导材料的发现。
一直到1986年，所有关于超导的报道都是金属材料。1986年底，K. Alex
Mueller 和J. Geog Bednorz发现La1.85Ba0.15CuO4具有超导特性，而且
其转变温度“高达”35K！由于这样一个发现，他们两于1988年获得了诺
贝尔物理奖（大概是历史上，从作出工作到获得奖之间隔最短的。从而
也引发了许多争论）。而真正引发世界范围内的高温超导热潮的是1987
年一月份朱经武(Paul C. W. Chu)研究组发表了转变温度高达95K的YBCO
系列！因为这种材料可以在液氮（沸点：77K）环境下作实验。而液氮几
乎可以在任何一个低温实验室中找到！（有一种说法：没有朱经武等人
有关YBCO系列的发现，MUELLER和BEDNORZ不可能获得诺贝尔奖。因此许
多人认为朱经武应该与那两人共享诺贝尔奖）。
到1995年，最高的转变温度是高达250K（零下25度！）的报道。
光有实验，没有理论就不称其为物理学了！因此，一直有人试图建立超
导理论，来解释这些超导现象。最早的理论是由伦顿兄弟（Fritz London
和Heinz London）于1935年提出的宏观理论(F. London and H. London:
"Electromagnetic equations of the superconductors," Proc. Royal
Soc. London (A), Vol.CXLIX, pp.71-88, April 1935)。该理论基于
经典宏观电动力学，认为在超导状态下电子分为无耗的超导电子和有耗
的正常电子。故该理论又被称为“双流体理论”或“双流体模型”。由
于该模型简单易懂，一直到现在都在被使用。伦敦理论可以推出迈斯纳
现象的数学表示。
基于朗道的热力学理论和相变理论，郎道（Lev Landau）和他的学生京
茨堡(Vitaly Ginzburg)发表了用于超导的著名的京茨堡－郎道理论
(V. L. Ginzburg and L. D. Landau, Zh. Eskp. Theor. Fiz. vol.20,
pp.1044, 1950〖俄文〗)（G－L理论）。该理论把电动力学和热动力学
有机地结合起来，导出了著名的京茨堡－郎道方程（G－L方程）。由于
论文是用俄语发表在前苏联的杂志上，一直不被苏联以外的人所知晓。
正是由于有了G－L理论，我们知道超导体可以分为两类：第一类超导体
和第二类超导体。而这两类超导体则是由京茨堡－郎道参数来定义。
1956年，巴丁的学生库柏发表了超导状态下电子成电子对的论文(L. N.
Cooper, "Bound electron pairs in a degenerate Fermi gas,"
Phys. Rev., vol.140, pp.1189-1190, 1956)，现在我们把这种电子对
称为库柏对（尽管早在1946年R. A. Ogg在发表了有关超导状态下电子
对的论文R. A. Ogg, Phys. Rev. vol.69, pp.243, 1946.）。基于库
柏电子对概念，巴丁和他的博士研究生库柏已经硕士研究生施利夫1957
年发表了著名的超导量子理论——BCS理论(J. Bardeen, L. N. Cooper,
and R. Scriefer, "Theory of superconductivity," Phys. Rev.
Vol.108, pp.1175-1204, 1957）。并于1972年他们三人获得了诺贝尔
物理奖。1959年L. P. GORKOV证明GL理论是BCS理论的直接结果，从此，
GL理论被广泛地接受。BCS理论只对第一类超导体有效，而GL理论是一
个关于超导体的一般理论。（公正地讲，GL理论应该获诺贝尔奖。只
可惜，世界并非公正）。
1962年约瑟夫森(Brain D. Josephson)利用BCS理论，从理论上预言了
超导体之间的隧道效应（因此他后来获得了诺贝尔物理奖）(B. D.
Josephson, "Possible new effects in superconductive tunneling,"
Phys. Lett., vol.1, pp.251-253, July 1962)。而在1963年Philip
Anderson和John Rowell从实验上证明了约瑟夫森的理论预言(P. W.
Anderson and J.M. Rowell, "Probable observation of the
Hosephson super conducting tunneling effect," Phys. Rev. Lett.,
vol.10, pp.230-232, March 1963)。而JOSEPHSON效应构成了量子干涉
仪的核心。
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