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登录日期:2011-09-08 【编辑录入:lrylry】 文章出处:《文汇报》2011年9月8日第12版

超导:充满挑战与发现
作者:江世亮 等  阅读次数:100218

——赵忠贤院士答记者问

      近来,物理学界的一件大事是纪念超导现象发现100周年,美国《科学》、英国《自然》和中国《物理》等杂志都推出综述专题。本刊选编《自然》杂志的一组文章,让读者大致了解超导百年的研究轨迹,以及未来超导的研究方向,同时约请我国当年参与组织和领导高温超导研究的著名物理学家赵忠贤院士就此作出点评。——编者

●21世纪电力工业的技术储备有两个,一个是超导,另一个是智能电网。而后者在某些方面也需要超导材料。

●室温超导体能否找到,既没有成功的理论肯定,也没有成功的理论否定。而事实上,临界温度一直在提高,新的超导体不断地被发现。如果找到室温超导体,那么其影响和意义是难以估量的。

      记者:1911年4月8日,荷兰物理学家卡麦林·昂尼斯在研究汞等金属低温下的电阻行为和规律时,偶然发现了物质携带电流却不造成损失的所谓超导的能力。超导电性的确定后被认为是对传统概念的重大突破。今年适逢超导电性发现百年,国际学术界在各地举行了很多的纪念活动。不知您如何看超导百年?

       赵忠贤(中科院院士、中科院物理研究所研究员):当时物理学正处于从经典物理学向现代物理学、特别是向量子力学的过渡时期。超导电性是第一个被发现的宏观量子现象,从一开始就引起了科学界的极大关注。为纪念超导发现一百周年我也曾写了篇短文(参见《物理》2011年第6期《百年超导,魅力不减》),在这里结合其他学者的论述再谈点看法。超导电性的理论与实验研究已经成为物理学中的一个重要分支,与超导有关的诺贝尔奖已经颁发了5次。阐明金属和合金的超导电性的微观理论(即BCS理论),不仅是对超导电性的认识的深化,也在核物理、粒子物理以及宇宙学等方面产生了影响。铜氧化合物超导体(也称之为高温超导体)和近年发现的铁基超导体带来了新的挑战。传统的BCS超导理论不能解释这两种高温超导电性的起源。铜氧化合物超导体和铁基超导体微观机理的解决,将会把凝聚态物理研究推入新的阶段,在凝聚态物理以至物理学方面书写新的篇章。对铜氧化合物超导电性的微观机理的研究已经进行了20多年,吸引了一批一流的物理学家。虽然取得了很大的进展,但还未能得到共识。难度确实很大,但巨大的挑战也正是极好的机遇。

      在应用方面,20世纪五六十年代,一批有实用价值的合金超导体的发现以及约瑟夫森效应的发现,掀起了低温超导技术研发的热潮。在某些方面的应用已经发挥了不可替代的作用。例如基于超导隧道效应的电压基准已经取代了化学电池的电压基准,仪器磁体(包括医用的和科研用的核磁共振成像磁体和加速器、磁约束受控核聚变等大型的科学实验装置用的磁体)以及微弱电磁信号检测等。但与同时处于研发高潮的激光技术相比,超导体的应用还远远不够。

      记者:说起超导,很多人都会想起上世纪80年代后期在世界多个国家涌动的高温超导研究热潮,那时好像不时听到有新的超导临界温度纪录被打破,在中国,您领导的研究团队也是这场科学竞争的重要参与者。不知您如何评价自那以后超导研究的发展?

      赵忠贤:是的。上世纪80年代后期,铜氧化合物超导电性被发现,因其临界温度突破了液氮温区,激发了更大规模的世界性的超导研究热潮。20多年来,虽然高温超导机理研究还没有取得突破性进展,但应用研究领域却得以拓展。一批很有潜力的大型高温超导样机已制备成功,如全超导的示范配电站、35000kW的超导电机等。移动通信基站上也使用了几千台高温超导滤波器。但是高温超导的商品还是太少。应该指出的是,超导电性作为宏观量子态,具有极为特殊的物理性质和极大的应用潜力。超导体是“开源节流”的能源材料,可用于超导电力、交通运输、大科学工程等方面,在能源方面有着巨大的应用潜力。有人认为,21世纪电力工业的技术储备有两个,一个是超导,另一个是智能电网。而后者在某些方面也需要超导材料。超导材料也是新一代的舰船推动系统的基础材料以及磁约束受控核聚变不可替代的制备强磁体的材料。另外,超导磁悬浮列车也具有其独特优势。超导体也应用于信息、生物医学等领域。

      基于超导体隧道效应的器件能够检测出相当于地球磁场几亿分之一的变化,世界上找不到比它更灵敏的电磁信号检测器件。世界上最快的模数转换器和最精密的陀螺仪都已由于超导体的应用得以实现了。据20世纪90年代的超导企业高峰会议预测,2020年与超导有关的产值可以达到2000亿美元。现在看来达到这个预期还有很大距离,关键在于成本和需求。为解决这两个问题,一是要发展和改进现有实用超导材料的制备工艺,提高制冷系统的性能,以实现高可靠性和低成本的目标。二是开拓和培育市场。当然从长远的角度来看,探索新的更适于应用的超导材料是十分必要的。因此,对于超导的应用研究与开发,应该从战略性高度予以重视。

      记者:前不久的美国《科学》杂志和近期的英国《自然》杂志以及我国物理学会主办的《物理》杂志等均推出纪念超导现象发现百年的专题,对超导的未来充满期待。作为从事探索高温超导体35年的科学家,您怎么看超导的未来?

      赵忠贤:我在阅读这些纪念和回顾百年超导发展进程史的文章时,除对奉献者的崇敬之外,还从中学到很多东西。一是坚韧不拔献身科学和报效社会的精神,二是不断地提高实验技术水平和分析的能力。最重要的是敢于在概念上的突破,或者说是敢于创新。学习前人的“重见解”、“尚新知”的传统。同时也有责任积极推动超导应用以造福人类。

      科学家从超导发现伊始就一直在坚持探索新超导体。这些探索带来的效果包括:新的实用超导材料、很有物理研究价值的新超导体、非超导但很有价值的新材料、新的工艺技术的发展,甚至开辟新的研究领域。发现室温超导体是科学家的梦想。室温超导体能否找到,既没有成功的理论肯定,也没有成功的理论否定。而事实上,临界温度一直在提高,新的超导体不断地被发现。如果找到室温超导体,那么其影响和意义是难以估量的。

      总之,虽然超导电性的研究已有百年历史,但依然年轻。超导已经开始造福人类并有着广泛的应用前景。21世纪一定会有新的技术成为经济的新增长点。如果在超导材料方面有新的重大突破,则有可能成为这类新技术的候选者。对超导电性的深入认识一直推动着量子力学和物理学的发展,高温超导体的发现又带来了新的机遇和挑战。这是一个依然充满挑战与发现的领域。中国科学家应该也能够为人类的文明作出新的、无愧于我们先人的贡献。

                          

高温超导25年

      在高温超导现象发现四分之一世纪后,尽管对于这种机制是如何产生的仍存争论,但是重拾信心,抓住未来的超导研究机会正逐渐成为共识。

      “就连纽约夜总会的保镖都知道我们的恶名”保罗·格兰特在回想起1987年3月召开的美国物理学会(APS)会议时说道。由于报纸、杂志和每天早晨的电视谈话节目连篇累牍地谈论来自物理实验室令人惊愕的预示,宣传炒作持续了好几个月:一场技术革命似乎胜券在握,预示着一个由磁悬浮列车、硬币大小的计算机以及不损失能量的跨洋输电线的时代已然来临。

水中月般的梦

      格兰特说,当会议最终召开时,一位来自加利福尼亚州圣何塞市W2AGZTechnologies能源咨询公司的物理学家,就像一位佩戴着APS证章来到名为“聚光灯”时尚会上的宾客,被直接引领到队列的前面。

      虽然公众的兴奋还无法同物理学家所渴望的激情相比,但在3月18日的星期三下午,1800多位APS与会者陆续到纽约市希尔顿的舞厅(另外还有2000人逗留在场外)。在这场有时是声嘶力竭的讨论会上——被称为是“物理学的伍德斯托克音乐节”——研究者们分享了最新的发现:在这一代人中该领域最惊人的发现——在高温下获得超导材料已是轻而易举。

      “高温”是相对而言:如果未被冷却到93K以下(相当于-180.15℃),即便是最好的材料也不会转变为没有电阻的超导体。但是,这要比以往观察到的任何超导材料的转变温度要高出4倍多,而这突破了曾经看起来不可突破的30K的理论上限。舞厅里的每个人都知道,无论如何,它具有某些深刻的新意。

      更妙的是,他们知道93K可以轻松地用廉价、丰富的液氮作为冷却剂来实现,而不是如早期超导体那样采用昂贵的、不易处理的液氦。突然之间,像无损输电线之类的超导应用似乎在经济上变得可行起来。而整个大厅被一个更为令人激动的思想所鼓动:会不会有一种材料不经任何冷冻而具备超导性?

      但是,在第一篇有关高温超导论文发表25年后的今天,这样的材料仍然只是一个水中月、镜中花般的梦,人们所做的大多是神奇动听的应用以及就此理解了超导究竟是怎么回事。尽管实验技术日益细化、论文发表了近20万篇,但物理学家对于高温超导性迄今还没有得出一个完整的理论解释。纽约厄普顿的布鲁克海文国家实验室的物理学家约翰·特兰夸达说:“并非没有理论,而是有许多理论——只是没有一个是为大多数人所赞同的。”

进展如此缓慢

      尽管如此,历史还是为人们提供了某些信心。物理学家花了50年来了解传统的超导性——那是100年前在荷兰莱顿大学海克·卡末林·昂内斯实验室发现的。1911年4月8日,在3K条件下测试了水银样品中的电阻后,该实验室写道:“Kwiknagenoeg nul(水银几乎为零)”,标志着首次观察到超导现象。

      对超导性的解释在20世纪20年代随着量子力学的发展而向前迈了一步,它为普通金属结构提供了一个基本模式。金属原子形成一个规则的晶格并与电子内核紧紧结合在一起。但它们松散的没有约束的外层电子遂成为自由电子,汇集成一个移动的“电子海”——在电场的影响之下,这个自由电子的海洋将在晶格间漂移,以此构成导电性的基础。

      在常规金属中,这样的漂移并不总是可预测的:无论它有多冷,随机的热涨落驱散电子,阻断了它们的前进运动并耗散能量,从而产生电阻。但是,当某些金属冷却到接近绝对零度时,电子突然转入高度有序的状态并集体旅行,不再偏离其路径。在低于这些金属各自唯一的临界温度时,电阻下降到零,此时任何电流几乎是永无止境地流动,于是它们就成了超导体。

      但为何这样的有序状态会形成?1957年2月,三位物理学家——约翰·巴丁、利昂·库珀和罗伯特·施里弗,他们后来同在伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校——第一次为这个问题提供了一份完整的答案。

      他们所提出的现被称为BCS的理论认为,一个穿过原子核正电荷格点的电子留下一道小小的尾迹,就像保龄球滚过床垫时留下的凹痕。变形引来其他电子,有两个成为所谓的库珀对(Cooper pair)。如果在非常低的温度下有许多这样的库珀对形成(它们的量子力学波函数一致),就会驱使这些库珀对汇集成冷凝状态。一旦如此,它们就会互相制衡,因为打破其中一对会抬升所有其他对的能量。最终的结果是它们都不中断地流动起来,构成了超导性。

      这个理论非常成功,使许多预测很快被实验所证实。但这也意味着约束库珀对的力非常弱,除非在极端低温下,否则它们会被任何热振动所撕裂。“在20世纪50和60年代共同作战的研究者致力于改进温度范围,”莱顿大学的一位理论物理学家简·扎能说,“但他们很快就意识到,他们无法将超导温度提高到超过25K或30K”——这个温度通常需要用对液态氦精心设计的冷却系统来实现,液态氦在4.2K时汽化。

      这并没有阻止超导线和超导膜在某些高价值应用项目中的使用,如医用磁共振成像仪(MRI)和粒子对撞机。但是,高昂的费用似乎排除了该技术更广泛的应用。

      到了1986年6月,瑞士苏黎世IBM实验室的物理学家格奥尔格·贝德诺尔茨和亚历山大·米勒报告称,他们已经制出一种在35K下的超导材料。这一发现在1987年1月得到引人注目的证实,当时美国的物理学家发现了同一类的材料在93K下成为超导体。

      贝德诺尔茨和米勒的许多惊人工作成果之一是,他们正在寻找的不仅是金属,还有被称为铜氧化物的绝缘材料——铜酸盐。特别是他们在调查当铜酸盐被“掺杂”,或在有像镧和钡这样的异质元素掺进铜的平行平面和构成其结构的氧中后发生了什么。他们的发现是异质原子释放了某些铜原子的外层电子,这些电子随后流经晶格。过后如果铜酸盐被冷却到足够低的温度——取决于它是如何掺杂的——电子就将自由流动,而该材料就成为超导材料了。

      这个奇特的状态——绝缘体中的超导——迅速促使物理学家重新审视自己关于凝聚态的基本思路。但由于某些实验是在不知情时用了不纯样品,人们在复验结果时就会遇到麻烦。麻省理工学院物理学家帕特里克·李说:“该领域的头几年非常令人困惑。”假设引发了离奇和古怪的物理现象的出现,往往没有太多的证据来支持它们。

      这个领域很快分裂为若干相互竞争的阵营,各自主张不同的理论。研究人员经常会无视与他们偏爱的理论不相符的数据,近乎虔诚地死抱着他们的想法,攻击相信其他理论的人。加州斯坦福大学的物理学家凯瑟琳·莫勒回顾了一次学术报告会的情况。在那次会议上,作为听众的一位科学家对着发言者大叫:“女士们先生们,这人是个骗子——别听他的话!”华盛顿海军科学研究实验室的物理学家伊格尔·麦辛也回忆起1989年的一次研讨会上,创立不同理论的物理学家站在台上“孩子般大呼小叫”。

逐渐形成共识

      最终,这些不和谐的声音归成了两种现在大多数物理学家所遵循的理论。第一种叫共振价键(resonating-valence-bond)理论,是由新泽西州普林斯顿大学凝聚态物理学家菲利普·安德森创立。该理论认为电子对机制存在于铜酸盐结构中,邻近的铜原子可以通过化合价的约束而相连,在这种关系中它们共享反向自旋的电子。通常情况下,约束可以将这些自旋对锁定,预防任何电流通过。但是当材料被掺入杂质后,这些自旋对开始移动,而价约束则成为凝聚为超导体的库珀对。

      第二种理论叫自旋涨落(spinfluctuation),获得社会上大多数人的支持。是由英国爱丁堡大学的菲利普·蒙蒂乌、美国新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室的亚历山大·巴拉茨基以及伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的大卫·派因斯共同提出。该理论假定在没有掺杂时,铜酸盐被锁定在一个有序的称为反铁磁性物质的状态下。

      这意味着每个铜原子的外层电子排列成每个自旋的方向都与其邻居相反:一个电子的自旋是向上、第二个是向下、第三个又是向上,等等。由自旋产生的磁场将电子锁定到位。但在经过掺杂的铜酸盐中,异质原子打破了这种一成不变的棋盘格模式,令自旋的所在产生颤动。一个经过的电子随后可以确立一个旋转的脉动模式,类似于传统超导性的晶格畸变。这种扰动随后驱使电子相互运动,将它们组合成库珀对并达到超导状态。

      特兰夸达说,在早先,这两种机制的倡导者在这一领域相持不下。但不久以后,“事情变得较容易了一点,双方开始试着探讨共同点和不同点在哪里。我们可以超越不同的主张并试着通过在某些实验中的共识和有益的计算来取得某些进展。”多数研究者现在在许多方面有了广泛的共识,比如磁相互作用的重要性。

      当经过改进的技术帮助研究人员剔除了更为怪异的理论,修订了留下的精华后,在实验室,事情也逐渐平息。一个很好的例证是角分辨光电子能谱(angle-resolved photoemission spectroscopy,ARPES),这是一种采用用高能量光子来探测电子行为的方法。“1993年,我们在12小时里最多能做4个谱,”斯坦福大学的物理学家沈志勋说,他现在在做ARPES的研究,“现在只需3秒就能获得极高品质的谱。”

       2008年,细野秀雄和他在日本东京工业大学的同事发现了第二类高温超导材料——基于铁和砷——称为磷族元素化合物。这些材料的超导特性是在比大多数铜酸盐更低的温度下(往往要在40K以下)。

“这几乎就是推倒重来,”美国田纳西州国立橡树岭研究所的物理学家托马斯·梅尔说。磷族元素化合物比铜酸盐具有更复杂的结构,但它们可能有助于发现高温超导现象的关键所在,这完全取决于氧化铜的结构。

      此外,磷族元素化合物的发现让研究者们重拾了信心,他们也许能找到其他高温超导材料,提供更多的信息甚至提供一条难以找到的室温超导材料之路。纽约哥伦比亚大学物理学家安德鲁·米利斯说:“要是有两个,那么很有可能有更多。”

      研究人员已经在实际应用中取得了进展。例如,在近5年里,他们已设法将铜酸盐材料系扎到超导带中,可用来制成输电电缆或以液氮制冷的磁共振成像仪(MRI)。

对手让你强大

      没有人能在任何时刻很快判定高温超导性的完整意义——这意味着你将不得不从浩如烟海的文献中理出头绪。派因斯说:“一个足够丰富的理论应能解释一切,而并不仅仅是解释挑出的东西。”

      但对于究竟哪些东西需要加以解释却并不总是很清楚。例如,大约在15年前,研究人员发现某些高温超导体会在转变温度以上形成电子对——在这种 “赝能隙”(pseudogap)环境,材料自发地将自己组成条纹状,像河流那样的线性区域将电子对带入令电子仍然停留在原处的绝缘状态。“这是超导状态的初期状态,因而也是理解这个问题的基础,”普林斯顿大学物理学家阿里·亚兹达尼说。而派因斯则说并非如此,他认为赝能隙状态“干扰了超导性但并不应为此而负责。”

      就像物理学家不得不等待高度发达的量子力学工具来揭开传统超导性背后的秘密,今天的研究人员也可能需要新的思路来完成自己的任务。

      如果没有其他问题,这个领域早期的争论已经确保只有最坚定的研究人员还在坚持。留下或许是由于被他们的经验所折服。安德森说:“我认为我们最大的问题是人本身的不可靠。”也许这些最初的困难,已经帮助锻造了可以经得起时间考验的理论。沈志勋则说:“最终,是你的竞争对手让你变得更强大。”

                                           (冯诗齐 编译)

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超导现象

      人们把处于超导状态的导体称之为“超导体”。超导体的直流电阻率在一定的低温下突然消失,被称作零电阻效应。导体没有了电阻,电流流经超导体时就不发生热损耗,电流可以毫无阻力地在导线中形成强大的电流,从而产生超强磁场。

       1911年,荷兰莱顿大学的卡末林·昂内斯意外地发现了超导现象——将汞冷却到-268.98℃时,汞的电阻突然消失,昂内斯称之为超导态。因为这一发现,他获得了1913年诺贝尔奖。

      人们还做过这样一个实验:在一个浅平的锡盘中,放入一个体积很小但磁性很强的永久磁体,然后把温度降低,使锡盘出现超导性,这时可以看到,小磁铁竟然离开锡盘表面,慢慢地飘起,悬浮不动(见上图)。

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推荐人:lry   2011—09—08   执行编辑:zjy   2011.9.9      责任编辑:tmy   2011.9.12

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