超導物理學

超導物理作為一個有近百年歷史的學科，它是隨著對超導電性的研究，認識不斷發展起來的，特別是20世紀50年代以來取得了一系列重大突破，引發了今天的"高溫"超導電性機理及超導材料研究的熱潮。

基本介紹

• 中文名：超導物理學
• 外文名：Superconducting physics

概述

昂內斯於1853年9月21日生於荷蘭的格羅寧根，29歲即1882年就被任命為荷蘭萊頓大學物理學教授和實驗室主任.晉升後不久，昂內斯受到他的同胞范德瓦爾斯研究的影響，決定在萊頓大學建一個當時在世界上規模最大的低溫實驗室，並把全部研究項目都轉到低溫研究方面.由於有了較好的實驗條件，昂內斯於1906年使 用真空泵連續真空法，使低溫氣體獲得最大限度的膨脹，這樣，他獲得了20.4k（零下252.76℃）的低溫，液化了氫氣.由於有了大量液態氫，就為進一步液化氦氣打下了堅實的基礎.

1908年7月10日，液化氦氣的關鍵性實驗從凌晨5點半就開始了，經過漫長的13小時之後，實驗室的工作人員才在人類科學史上第一次看到了液態的氦.當時，昂內斯激動得不得了，他激動地說："當我看到了液氦時，那真有點像神話中的幻覺，一切都似乎是奇蹟的顯現."在實驗過程中昂內斯獲得了4.2k（零下268.96℃） 的低溫.

過了兩年，昂內斯進一步做了使氦固化的試驗，但是沒有成功.雖說氦沒有固化成功，昂內斯意外地從中卻獲得了1.04k（零下272.12℃）的低溫.這是人類向絕對零度大大逼近了一步.人們為了尊敬昂內斯的貢獻，給他送了一個風趣的綽號叫"絕對零度先生".從此，昂內斯更加專心致志於探索物體在低溫時表現出的特殊性質.

昂內斯和他的學生開始用汞作為測量對象，因為他認為金屬材料純淨與否會大大影響測量.而汞可以用蒸餾法提煉得非常純淨.1911年4月的一天，昂內斯讓他的學生霍爾斯特進行實驗觀察，在觀察中發現當溫度到4.2k以下時，電阻突然消失了，這使霍爾斯特大為驚訝.但是，昂內斯並不感到過分吃驚，因為這一實驗結果與他的猜想相吻合.4月28日，昂內斯公布了他們的這一重要發現.同年11月25日，他又明確指出,"測量表明，從氫的熔點（14.02k）到氦的沸點（4.56k）之間，曲線顯示出汞的電阻隨溫度下降而減小的速度與通常情形一樣，是逐漸減小的；但到4.21k與4.19k之間，電阻減小的速度急劇加快；到4.19k時，電阻完全都消失了".就這樣，低溫超導現象被人類第一次發現了.

為了進一步證明電阻真的減到零，昂內斯和他的學生把磁鐵穿過水銀環路，由於電磁感應產生的電流保持了好幾天，這就充分證實了電阻完全消失後的超導現象：即只要超導體內有電流，由於沒有電阻，所以原則上電流就會永遠流動下去，不會停止.1913年，昂內斯首次在論文中使用了"超導電性"這個詞.

美國物理學家巴丁，庫珀，施里弗說明了超導現象的微觀本質和機制，創立了BCS超導微觀理論

超導現象雖說於1911年就發現了，但是直到20世紀40年代末，還只能建立起一個唯象的理論，僅僅只限於解釋超導的巨觀現象.一直到1957年，關於超導現象的 微觀本質和它的機制，才由美國物理學家巴丁，庫珀和施里弗三人共同解決----他們合作創建了超導微觀理論.他們三人創建的這套理論，取每人姓氏的第一個字母進行組合，即被稱為"BCS"理論.這一理論提出後，迅即被大量理論研究和實驗實踐證明它是十分成功的----因為，這一理論能對超導電性作出正確的解釋，並極大的促進了電性和超導磁體的研究和套用.所以如此，他們三人於1972年共同獲得了諾貝爾物理學獎.

繆勒和柏德諾茲的研究成果導致多種液氮溫區高溫超導體材料的出現，並宣告了超導技術開發套用時代即將到來

20世紀70年代中期以後，人們對於超導現象的研究沉寂了一段時間.這是因為在實驗室里，人們對超導材料的選擇上僅限純金屬,金屬合金和金屬化合物，這些材料的臨界溫度約在23.2k以下，無法提高因此在套用上受到了阻礙.到1986年1月26日，美國國際商用機器公司蘇黎世實驗室的瑞士物理學家繆勒和西德物理學家柏德諾茲發現鋇鑭銅氧化合物的臨界溫度提高到了30k左右，並證明有可能提高到35k.

這次成功緣於一次國際會議的召開.在1983年7月的一次國際會議上，繆勒遇到了他的老朋友托馬斯教授.在會上，托馬斯教授提出了一個新的構想----他認為，絕緣體的電子通常都緊密地與原子核緊緊連在一起，因而不容易導電；但如果給某些絕緣體摻入一些雜質，以鬆散與核緊密相聯的電子，這樣的話，電子就比較自由，這些絕緣體就有可能成為超導體.

繆勒當時正在進行這方面的研究，托馬斯的觀點與他的想法正是不謀而合.聽了托馬斯的分析，繆勒的信心和勁頭更足了.他對金屬氧化物已經有充分的了解，最後，他選用了陶瓷材料.在以後的兩年半中，他與他的助手柏德諾茲在實驗室中苦幹，終於取得了前面提到的突破性發現.

他們倆人的發現，意義不僅僅在於使超導的溫度有了較大幅度的提高，更重要的是他們選用的陶瓷材料----突破了傳統中材料的選擇.正是由於這一選擇和突破，在全世界掀起了一股前所未有的超導熱，在短短的幾個月時間裡，美國，中國，日本和前蘇聯競相宣布，它們的科學家們用陶瓷材料，將超導的臨界溫度大幅度地提高了.

1957年，挪威裔美國物理學家賈埃弗完成了量子力學隧道效應實驗，並於1960年完成了超導體隧道效應實驗.於1973年獲諾貝爾物理學獎.

1962年，英國物理學家約瑟夫森預言，在超導體--絕緣體--超導體這樣一個結構中（物理學上通稱為一個"結"),將會出現無電阻電流，這一預言在1963年被實驗證實，並命名為"約瑟夫森效應".又過了一年，一位叫默塞羅的物理學家發現，如果利用兩個約瑟夫森結，則可利用兩個電流的相互干涉作用，使無阻電流值更大這種干涉效應與光學中利用雙縫增強光度的效應是差不多的."超導量子干涉儀"就是根據這一原理製造出來的.超導量子干涉儀的用途極為廣泛，如果用來作精密測量，其精密度達到驚人的程度.

約瑟夫森和賈埃弗的發現，對於研製高性能的半導體和超導體元器件具有很高的套用價值，並導致超導電子學的建立.

超導研究已長達近一個世紀，20年前超導套用在科學界還被認為是一種侈談.而今天，它已在科研，醫療，交通，通信，軍事，電力和能源等領域得到了套用.但這只是序幕，超導研究與套用在21世紀將為我們展現更加絢麗輝煌的前景.

超導體

氣體液化問題是19世紀物理的熱點之一.1894年荷蘭萊頓大學實驗物理學教授卡麥林·昂內斯建立了著名的低溫試驗室.1908年昂內斯成功地液化了地球上最後一種"永久氣體"———氦氣，並且獲得了接近絕對零度（零下273.2℃，標為OK）的低溫：4.25K.—1.15K .（相當於0℃以下）.為此，朋友們風趣地稱他為"絕對零度先生".這樣低的溫度為超導現象的發現提供了有力保證.經過多次實驗，1911年昂內斯發現：汞的電阻在4.2K. 左右的低溫度時急劇下降，以致完全消失（即零電阻）.1913年他在一篇論文中首次以"超導電性"一詞來表達這一現象.由於"對低溫下物質性質的研究，並使氦氣液化"方面的成就，昂內斯獲1913年諾貝爾物理學獎.

"超導電性"現象被發現之後，引起了各國科學家的關注和研究，並寄於很大期望.通過研究，人們發現：所有超導物質，如鈦，鋅，鉈,鉛，汞等，當溫度降至臨界溫度（超導轉變溫度）時，皆顯現出某些共同特徵:⑴電阻為零，一個超導體環移去電源之後，還能保持原有的電流.有人做過實驗，發現超導環中的電流持續了二年半而無顯著衰減；⑵完全抗磁性.這一現象是1933年德國物理學家邁斯納等人在實驗中發現的，只要超導材料的溫度低於臨界溫度而進入超導態以後，該超導材料便把磁力線排斥體外，因此其體內的磁感應強度總是零.這種現象稱為"邁斯納效應".

超導電性的本質究竟是什麼.一開始人們便從實驗和理論兩個方面進行探索.不少著名科學家為此負出了巨大努力.然而直到50年人才獲得了突破性的進展，"BCS"理論的提出標誌著超導電性理論現代階段的開始."BCS"理論是由美國物理學家巴丁，庫珀和施里弗於1957年首先提出的，並以三位科學家姓名第一個大寫字母命名這一理論.這一理論的核心是計算出導體中存在電子相互吸引從而形成一種共振態，即存在"電子對".

1962年英國劍橋大學研究生約瑟夫森根據"BCS"理論預言，在薄絕緣層隔開的兩種超導材料之間有電流通過，即"電子對"能穿過薄絕緣層（隧道效應）；同時還產生一些特殊的現象，如電流通過薄絕緣層無需加電壓，倘若加電壓，電流反而停止而產生高頻振盪.這一超導物理現象稱為"約瑟夫森效應".這一效應在美國的貝爾實驗室得到證實."約瑟夫森效應"有力的支持了"BCS理論".因此.巴丁，庫珀，施里弗榮獲1972年諾貝爾物理獎.約瑟夫森則獲得1973年度諾貝爾物理獎.

超導體的研究60年代以來，重心逐漸轉向對超導新材料的開發方面.開發高臨界溫度的超導體材料將能為超導體的大規模套用創造條件.

德國物理學家柏諾茲和瑞士物理學家繆勒從1983年開始集中力量研究稀土元素氧化物的超導電性.1986年他們終於發現了一種氧化物材料，其超導轉變溫度比以往的超導材料高出12度.這一發現導致了超導研究的重大突破，美國，中國，日本等國的科學家紛紛研究，很快就發現了在液氮溫度區獲（-196C.以下）得超導電性的陶瓷材料，此後不斷發現高臨界溫度的超導材料.這就為超導的套用提供了條件.柏諾茲和繆勒也因此獲1987年諾貝爾物理獎.

超導電性現象被發現之後，不少人就想到了如何套用的問題.由於當時很多問題在技術上一時還難以解決，套用還只是可望不可即的事情.隨著研究工作的深入，超導體的某些特性已具有實用價值，例如超導磁浮列車已在某些國家進行試驗,超導量子干涉器也研製成功，超導船，用約瑟夫森器件製成的超級計算機等正在研製過程中，超導體材料已經深入到科研，工業和人們的生活之中.

1911年，荷蘭科學家昂內斯用液氦冷卻水銀，當溫度下降到4.2K時發現水銀的電阻完全消失，這種現象稱為超導電性.1933年，邁斯納和奧克森菲爾德兩位科學家發現，如果把超導體放在磁場中冷卻，則在材料電阻消失的同時，磁感應線將從超導體中排出，不能通過超導體，這種現象稱為抗磁性.

超導電性和抗磁性是超導體的兩個重要特性.使超導體電阻為零的溫度，叫超導臨界溫度.經過科學家們數十年的努力，超導材料的磁電障礙已被跨越，下一個難關是突破溫度障礙，即尋求高溫超導材料.

廣闊的超導套用

高溫超導材料的用途非常廣闊，大致可分為三類：大電流套用（強電套用），電子學套用（弱電套用）和抗磁性套用.大電流套用即前述的超導發電，輸電和儲能；電子學套用包括超導計算機，超導天線,超導微波器件等；抗磁性主要套用於磁懸浮列車和熱核聚變反應堆等.

超導磁懸浮列車

利用超導材料的抗磁性，將超導材料放在一塊永久磁體的上方，由於磁體的磁力線不能穿過超導體，磁體和超導體之間會產生排斥力，使超導體懸浮在磁體上方.利用這種磁懸浮效應可以製作高速超導磁懸浮列車.

超導計算機

高速計算機要求積體電路晶片上的元件和連線線密集排列，但密集排列的電路在工作時會發生大量的熱，而散熱是超大規模積體電路面臨的難題.超導計算機中的超大規模積體電路，其元件間的互連線用接近零電阻和超微發熱的超導器件來製作，不存在散熱問題，同時計算機的運算速度大大提高.此外，科學家正研究用半導體和超導體來製造電晶體，甚至完全用超導體來製作電晶體.

核聚變反應堆

"磁封閉體" 核聚變反應時，內部溫度高達1億～2億℃，沒有任何常規材料可以包容這些物質.而超導體產生的強磁場可以作為"磁封閉體",將熱核反應堆中的超高溫電漿包圍，約束起來，然後慢慢釋放，從而使受控核聚變能源成為21世紀前景廣闊的新能源.

超群的超導磁體

超導材料最誘人的套用是發電，輸電和儲能.

由於超導材料在超導狀態下具有零電阻和完全的抗磁性，因此只需消耗極少的電能，就可以獲得10萬高斯以上的穩態強磁場.而用常規導體做磁體，要產生這么大的磁場，需要消耗3.5兆瓦的電能及大量的冷卻水，投資巨大.

超導磁體可用於製作交流超導發電機，磁流體發電機和超導輸電線路等.

超導發電機 在電力領域，利用超導線圈磁體可以將發電機的磁場強度提高到5萬～6萬高斯，並且幾乎沒有能量損失，這種發電機便是交流超導發電機.超導發電機的單機發電容量比常規發電機提高5～10倍，達1萬兆瓦，而體積卻減少1/2，整機重量減輕1/3，發電效率提高50%.

磁流體發電機 磁流體發電機同樣離不開超導強磁體的幫助.磁流體發電機發電，是利用高溫導電性氣體（電漿）作導體，並高速通過磁場強度為5萬～6萬高斯的強磁場而發電.磁流體發電機的結構非常簡單，用於磁流體發電的高溫導電性氣體還可重複利用.

超導輸電線路 超導材料還可以用於製作超導電線和超導變壓器，從而把電力幾乎無損耗地輸送給用戶.據統計，銅或鋁導線輸電，約有15%的電能損耗在輸電線路上，光是在中國，每年的電力損失即達1000多億度.若改為超導輸電，節省的電能相當於新建數十個大型發電廠.

奇異的超導陶瓷

1973年，人們發現了超導合金――鈮鍺合金，其臨界超導溫度為23.2K，該記錄保持了13年.1986年，設在瑞士蘇黎世的美國IBM公司的研究中心報導了一種氧化物（鑭-鋇-銅-氧）具有35K的高溫超導性，打破了傳統"氧化物陶瓷是絕緣體"的觀念，引起世界科學界的轟動.此後，科學家們爭分奪秒地攻關，幾乎每隔幾天，就有新的研究成果出現.

1986年底，美國貝爾實驗室研究的氧化物超導材料，其臨界超導溫度達到40K，液氫的"溫度壁壘"（40K)被跨越.1987年2月，美國華裔科學家朱經武和中國科學家趙忠賢相繼在釔-鋇-銅-氧系材料上把臨界超導溫度提高到90K以上，液氮的禁區（77K）也奇蹟般地被突破了.1987年底,鉈-鋇-鈣-銅-氧系材料又把臨界超導溫度的記錄提高到125K.從1986-1987年的短短一年多的時間裡，臨界超導溫度竟然提高了100K以上，這在材料發展史，乃至科技發展史上都堪稱是一大奇蹟！

高溫超導材料的不斷問世，為超導材料從實驗室走向套用鋪平了道路.

超導新研究成果

中國新研製

世界上第一輛載人"高溫超導磁懸浮實驗車"日前在西南交通大學研製成功，這標誌著中國在高溫超導磁懸浮科學研究與試驗技術領域已達到世界領先水平.

載人"高溫超導磁浮列車實驗車"可載5人，其永磁導軌長15.5米，最大懸浮重量達700公斤.該車懸浮穩定性好，懸浮剛度高，低溫系統連續工作可超過6小時.據該課題組負責人高級工程師王家素介紹，這是迄今為止世界上懸浮重量最大的載人"高溫超導磁懸浮實驗車".

未來用途

許多尖端武器在幾年前還只是科學家頭腦中的構想，隨著現代科技的迅猛發展如今即將變成現實，超導潛艇就是其中之一.與現役的常規潛艇或核潛艇相比，超導潛艇具有結構簡單，推力大，航速高，無噪聲，無污染，造價低等顯著優點，被許多軍事專家看好.

超導技術的主體是超導材料.簡而言之，超導材料就是沒有電阻，或電阻極小的導電材料.超導材料最獨特的性能是電能在輸送過程中幾乎不會損失：近年來，隨看材料科學的發展，超導材料的性能不斷最佳化，實現超導的臨界溫度越來越高.20世紀末，科學家合成了在室溫下具有超導性能的複合材料，室溫超導材料的研製成功使超導的實際套用成為可能.與此同時，軍事專家也"盯上"了超導材料，而超導潛艇只是超導材料在軍事上的套用之一.

早在70年代，美，俄，英，日等國就已開展超導技術在海軍艦艇方面的套用研究,隨著新型超導材料的出現，實際套用成為可能.超導磁流體推進裝置是根據電磁原理設計的.在潛艇上安裝電磁鐵，通電後，海水中就會有磁力線，同時產生方向與磁力線垂直的電流，在磁場和電流相互作用下，由於潛艇與海水之間產生大小相等方向相反的反作用力，潛艇將獲得向前運動的推力，推力的大小與磁場強度和電流大小的乘積成正比.磁流體推進技術已在一些國家獲得套用，但它的磁場還不能滿足潛艇的要求.而超導技術正是解決這一問題的關鍵.

超導潛艇的優點是顯而易見的.首先，獨特的推進原理和極高的能量利用率將使潛艇具有更好的動力性能，航行速度無疑將會大大提高.據推算，超高速超導潛艇的航速可達50節以上；其次，潛艇所載彈藥數量將因動力系統體積的減小而大量增加，潛艇的攻擊力將顯著增強.一艘性能十分先進的超導潛艇，其外型尺寸可能只有今日同類潛艇的一半，但所載彈藥數量可能是現在的幾倍.

最重要的一點是由於磁流體推進技術取代了傳統的螺旋槳推動，超導潛艇的噪音顯著降低，普通的反潛聲納對它束手無策，這將大大提高潛艇的隱蔽性和生存能力.

隨著超導技術的不斷完善，動力先進，隱身性好，攻擊力強的小型高速超導潛艇將成為未來海戰兵器中一顆耀眼的新星.