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第3章 大放异彩的超导材料(3)

还有一种方法叫析出法,思路更为奇特一些。这种方法利用物质在快速冷却时形成非晶和非晶态易于加工的性质,先把铌三锗或钒三硅等超导化合物溶化,使溶体快速冷却,成为非晶态。把非晶态超导化合物分散到铜材中,拉制成线材,把线材加热再缓慢冷却,非晶态转变成结晶态。控制适当的结晶条件,超导化合物在铜线内形成极细的树枝状结晶,这些结晶交错重迭,形成超导通路。电子在导体内移动时有走捷径的习惯,总是从阻力小的路走,当超导线材在临界温度、临界磁场以下时,电子沿着这些树枝状结晶移动,当处在临界条件以上时,这些结晶失去超导性,电阻很大,电子就从晶体周围的铜质部分通过,毫不损坏这些结晶超导体。析出法制成的线材性能很好,临界电流相当高。

用化合物超导材料制成的线材、带材可以产生20特斯拉的磁场,而且必须在液氦温度下工作,这是它的局限性。现在,陶瓷超导材料的临界温度达到100K 以上。但同样面临易脆、难加工的问题,现在世界上许多实验室都在致力于超导材料的实用化工作,一旦取得突破,必将加速受控热核反应的实用化,为人类提供丰富的廉价能源。

§§§第六节初生之犊约瑟夫逊

一般地说,理论研究可以指导实际的、应用的研究和开发,但也常常落后于实际研究。在发现超导现象以后,很多科学家都力图对超导作出理论解释,但都不能圆满解释所有实验现象,直到1957 年,BCS 理论问世,才使理论界交出了一份令人满意的答案。

BCS 理论是由巴丁(Bardeen)、库柏(Cooper)、席瑞弗(Schrieff)三人合作发表的,取他们姓氏的第一个字母,称为BCS 理论。

这个理论涉及到高深的数学,在这里只作最粗浅、形象的介绍。

电流流动的本质是电子的运动。在通常情况下,晶格中离子的热运动和晶格缺陷使电子运动受到阻碍,形成电阻。在超导状态。超导体的晶格振动(也叫声子)和电子相互作用,使其形成电子对,当电子对通过晶格时能克服阻力,顺利通过。就像在足球场上,一个运动员带球前进就容易被拦截,而两个运动员互相传球前进则容易绕过对方,全体队员互相配合,阻力就更小。当大量电子整体流动时,由于电子的相互作用,电子两两成对,或者互相交换搭档,形成超电流。

随着超导研究的迅速发展,许多新的实验结果用BCS 已不能解释,为此,一些物理学家又对超导BCS 理论作了许多修正和发展。

1962 年,剑桥大学年仅22 岁的研究生约瑟夫逊(B.D.JosePheson)在超导研究中作出了独到的科学预见,因而一举成名。

约瑟夫逊经过慎密的思考,并依据BCS 理论作出推导和计算,指出,当两个超导体之间存在着薄的绝缘层时,如果超导体内有电流流动,那么这个超导体的电流可以在没有电压的情况下通过绝缘层。我们知道,所谓绝缘层就是能阻挡电流,不让电流通过的不导电的物质,只有当电压很高使绝缘层受到破坏时才能使电流通过。显然,约瑟夫逊的推断是很大胆的。

约瑟夫逊还指出,当给这一绝缘体层两边施加电压时,除了有直流超导电流通过绝缘层之外,还有交流电通过绝缘层,交流电频率与施加的电压成正比。显然,这一推论比前一个理论更复杂。

约瑟夫逊在进行这一研究时曾经接受过著名美国物理学家安德森的指导,而且他本人并没有直接测量到通过绝缘层的超导电流,在安德森的鼓励下,他发表了他的论文。

几年后,约瑟夫逊的推断全部在贝尔实验室得到证实,初生之犊约瑟夫逊一举成名。这种超导电流从中间绝缘层穿过的现象被称为约瑟夫逊效应。

约瑟夫逊效应的发现对人们理解超导的本质有帮助。约瑟夫逊效应还被利用来制造精密仪器,例如超导量子干涉仪,这是一种非常敏感的磁场探测装置,用来进行医学诊断和地质调查。

在约瑟夫逊作出他的预言之前,美籍挪威物理学家贾埃瓦就制作了一个由两块铝片中间有氧化铝夹层的仪器,用来研究超导能隙,为超导的基础研究作出了贡献。在实验中,他多次观察到在没有电压的情况下电流通过氧化铝薄层,在液氦温度,金属铝是超导体,氧化铝是绝缘体,这就是约瑟夫逊效应。但他认为是氧化铝层没有做好,电流短路造成的,放弃了实验样品,也错过了做出重大发现的机会。后来有人问他是否为此感到遗憾,他诚恳地说:“不,因为要做出一个实验上的发现,光观察到某些情况是不够的,还必须了解观察的意义,就此而言,我甚至还没有入门。”

这件事说明,要作出重大的科学发现,必须大胆的思考,不受前人束缚的创新精神,以及坚实的科学基础。否则,即使新现象摆在面前,也会熟视无睹。

§§§第七节20世纪80年代的淘金热

1983 年,在IBM 公司设在瑞士苏黎世的研究室,贝特诺兹和谬勒开始了研制他们称之为“高温超导体”的工作。他们没有用当时热门的化合物超导材料作为研究对象,而是从金属氧化物入手。这是因为他曾经长期研究过锶、钛等金属氧化物,对它们的制备、性质、晶体结构,以及结构的转变有很深的了解。更重要的是,早在1973 年,美国人约翰斯顿制备的锂钛氧化物具有超导性,临界温度13K,说明氧化物超导体这个领域是块值得耕耘的沃土,但还极少有人涉足。

他们决定通过使氧化物晶格畸变,或“价带混合”的方法来加强晶格振动,提高临界温度。晶格振动也称“声子”,根据BCS 理论,是形成超导的原因。可是,开始阶段用含镍氧化物试验,结果得到了绝缘体。这时,有人气馁了,甚至想放弃研究。贝特诺兹后来回忆道,由于苏黎世研究所良好的研究气氛和工作环境,使他们坚持下来了。

后来他们改用镧铜氧化物,用钡离子掺杂时,获得转变温度为35K 的超导体;当用锶离子进行掺杂时,临界温度达到40K,这时已是1986 年了。

这是超导领域的惊人突破。因为自发现超导以后70多年中,临界温度最高纪录才达到23K,这项纪录是1973 年得到的,从那以后没有任何进展,很多人认为超导临界温度有一个极限,对这种大幅度提高半信半疑。况且,金属氧化物烧结成的晶体属陶瓷范围,在通常状态下是绝缘体,这也是前所未有的。

但感觉敏锐的科学家立即看到了这项研究的意义,争相挖掘氧化物超导体的潜力。

同年12 月,中国科学院赵忠贤领导的研究组获得了转变温度为48.6K的锶镧铜氧化物。次年二月,美籍华人科学家朱经武和吴茂昆两位教授同时宣布获得转变温度为98K 的超导体,三天后,赵忠贤等又把超导转变温度提高到100K。

1987 年,贝特诺兹和缨勒获得诺贝尔物理奖。

液氮沸点77K,金属氧化物超导材料超过100K,意味着可以把超导体工作温度提高到液氮中。大气中氮气含量79%,氮气资源丰富,取之不尽,用之不竭,液氮价格只有液氨的十分之一。超导材料突破液氮禁区,这一进展立即受到各国政府的重视,全世界有数以万计的科技工作者参加超导研究。

20世纪80年代兴起的超导“淘金热”方兴未艾。

§§§第八节前途无量的超导材料

尽管经历了几代人的努力,花费了巨额研究经费,还没有取得多少实际效益,超导材料仍然是最富有吸引力的新材料,这主要是因为它独特的性质和诱人的应用前景。除了前面提到的在磁悬浮列车、受控核聚变上的应用之外,还有许多其它应用,例如:

超导输电。目前输电线路上因电阻引起的电能损耗十分惊人,超导输电具有零电阻,是最理想的输送电方式。

超导计算机。高速电子计算机需要超大规模集成电路,高密度排列的电路在工作时产生大量的热,如采用零电阻连接,就不会产生热量,可以大大提高运算速度。

利用约瑟夫逊效应还可以制成精密仪器,如量子干涉仪。

超导磁体用来制造发电机,可以降低发电成本,提高发电效率。

超导温度进入液氮温度,说明“禁区”、“屏障”是可以突破的。在数以万计的物理学家、化学家、材料学家千方百计使高温超导材料实用化的同时,人们还期待着更新的突破。下一个目标将是使临界温度进入二氧化碳干冰温度,直至室温。一旦实现室温超导,超导材料就可用来制造普通导线、普通电器,不需制冷和冷却,每一个与电、磁有关的机器、元件都要重新考虑如何适应和应用超导材料,甚至重新设计和制造。