發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體100周年
——兼賀《物理通報(bào)》出版30周年

章立源

（北京大學(xué)物理學(xué)院 北京 100871）

材料的發(fā)展是人類歷史文明的支柱.在現(xiàn)代，隨著科學(xué)技術(shù)進(jìn)展步伐的加快，對(duì)材料功能多樣化、優(yōu)異化、超精細(xì)化以及適應(yīng)器件節(jié)能化、微型化的要求日趨苛刻.從一定意義上講，材料的發(fā)展是發(fā)展國(guó)民經(jīng)濟(jì)、發(fā)展科學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)，是國(guó)家在科技競(jìng)爭(zhēng)中的關(guān)鍵之一.

1 超導(dǎo)研究的歷史發(fā)展［1～2］

1.1 20世紀(jì)初人類發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)是當(dāng)時(shí)科技基礎(chǔ)水平發(fā)展的必然結(jié)果

早在19世紀(jì)初，人類就開始了對(duì)氣體液化的研究.英國(guó)科學(xué)家法拉第（1791～1867）曾系統(tǒng)地進(jìn)行了氣體液化，但氧、氮、氫、氦等幾種氣體未能被液化，當(dāng)時(shí)人們稱這些氣體為“永久氣體”.

直到1898年5月10日英國(guó)化學(xué)家杜瓦（1842～1923）首次液化了氫氣；1908年7月10日荷蘭萊頓（Leyden）實(shí) 驗(yàn) 室 在 卡 末 林 －昂 內(nèi) 斯（Kamerlingh-Onnes，1853～1926）領(lǐng)導(dǎo)下終把氦氣液化了.該實(shí)驗(yàn)室在制成液氦的基礎(chǔ)上再用減壓降溫法（即降低液氦上方的蒸氣壓），獲得了4.25K到1.15K的低溫.于是，在當(dāng)時(shí)科學(xué)技術(shù)上已獲得這么極低溫區(qū)的條件下，研究在極低溫區(qū)下物性的時(shí)機(jī)已經(jīng)成熟.

1911年卡末林 －昂內(nèi)斯指導(dǎo)研究生和實(shí)驗(yàn)室工作人員研究在液氦溫度下汞的電阻時(shí)，發(fā)現(xiàn)：當(dāng)冷卻到氦的沸點(diǎn)（～4.2K）時(shí)，汞電阻阻值突然降到零，當(dāng)升溫到4.2K以上時(shí)這種現(xiàn)象消失，再降溫該現(xiàn)象又出現(xiàn).這種現(xiàn)象，后來(lái)稱為超導(dǎo)電性.1913年卡末林 －昂內(nèi)斯獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，瑞典皇家科學(xué)院院長(zhǎng)在授獎(jiǎng)儀式上的評(píng)價(jià)為：卡末林 －昂內(nèi)斯的功績(jī)?cè)谟?，他?chuàng)造了這些可能性，同時(shí)開辟了一個(gè)對(duì)于物理科學(xué)具有最偉大意義和結(jié)果的領(lǐng)域.

1.2 1957年相關(guān)條件成熟 巴丁掌握了時(shí)機(jī) 超導(dǎo)微觀理論誕生

巴?。↗.Bardeen），庫(kù)珀（L.N.Cooper）和施里弗（J.R.Schrieffer）（以下簡(jiǎn)稱BCS）提出的超導(dǎo)微觀理論于1957年問(wèn)世.超導(dǎo)理論為什么拖延約半個(gè)世紀(jì)才出世？這是由科學(xué)發(fā)展整體所決定的.

第二次世界大戰(zhàn)期間對(duì)雷達(dá)的研究促進(jìn)了微波技術(shù)的發(fā)展，到20世紀(jì)50年代實(shí)驗(yàn)技術(shù)已可以檢測(cè)遠(yuǎn)紅外區(qū)的低輻射強(qiáng)度.這樣，以實(shí)驗(yàn)表明，在超導(dǎo)態(tài)下固體電子能譜中存在能隙，即其中最低能態(tài)和激發(fā)態(tài)之間被一有限的能量間隔隔開，能隙大約是10－4eV 的量級(jí).

同樣，到20世紀(jì)50年代，當(dāng)原子能技術(shù)發(fā)展到一定程度時(shí)，人們發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)體的同位素效應(yīng).同位素效應(yīng)表明，超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變溫度（Tc）與同位素的質(zhì)量（M）有關(guān)

而與此同時(shí)，研究表明，其晶格點(diǎn)陣本身沒(méi)有什么變化.由此人們認(rèn)識(shí)到，晶格在建立超導(dǎo)電性上肯定起著重大作用，既然晶格點(diǎn)陣未變，那么電子和晶格間的相互作用（或稱為電子聲子間相互作用）對(duì)超導(dǎo)電性的出現(xiàn)應(yīng)起著至關(guān)重要的作用.于是，人們認(rèn)定，電子聲子作用（簡(jiǎn)稱電聲作用）是導(dǎo)致超導(dǎo)電性的根源.

這樣，在20世紀(jì)中葉，揭開超導(dǎo)之謎的時(shí)機(jī)已經(jīng)逐漸成熟，就看誰(shuí)能抓住時(shí)機(jī)了.巴丁意識(shí)到量子場(chǎng)論方法在統(tǒng)計(jì)物理和超導(dǎo)問(wèn)題可能有用，他請(qǐng)來(lái)熟悉量子場(chǎng)論的庫(kù)珀一起工作.1956年庫(kù)珀首先突破，提出了：在某種吸引力（如電聲作用引起的兩個(gè)電子間吸引）作用下，金屬中的兩電子能組成電子對(duì)，稱之為庫(kù)珀對(duì).在庫(kù)珀對(duì)概念提出后，關(guān)于超導(dǎo)態(tài)的難關(guān)，在一個(gè)下午被巴丁的研究生施里弗突破.然后，三個(gè)人一起苦戰(zhàn)了幾十天，終于建立了超導(dǎo)微觀理論，稱為BCS理論［3］.1972年他們共同獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).

BCS超導(dǎo)微觀圖像是：金屬進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)后，正常金屬原來(lái)在動(dòng)量空間的電子費(fèi)米球不再是超導(dǎo)基態(tài)，而在費(fèi)米球附近的薄層內(nèi)原來(lái)的那些態(tài)都按一定方式以電子對(duì)態(tài)占據(jù)，這些電子對(duì)內(nèi)的兩電子動(dòng)量方向相反（總動(dòng)量為零），自旋相反；這些電子對(duì)能量降低；在超導(dǎo)基態(tài)中，費(fèi)米面附近的電子組成了庫(kù)珀電子對(duì)，每個(gè)庫(kù)珀對(duì)總是涉及其總動(dòng)量為零的對(duì)態(tài)，所以在動(dòng)量空間中可以說(shuō)所有庫(kù)珀對(duì)都“凝結(jié)”在零動(dòng)量上，因此與激發(fā)態(tài)電子間存在超導(dǎo)能隙.

1.3 人類對(duì)超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)室準(zhǔn)備階段（1958～1985）

BCS超導(dǎo)微觀理論標(biāo)志著人類對(duì)超導(dǎo)電性認(rèn)識(shí)的探索的第一回合結(jié)束，對(duì)超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用的嘗試就此大量開始，而于20世紀(jì)60年代達(dá)到高峰.這包括：發(fā)展實(shí)用超導(dǎo)材料、大量技術(shù)應(yīng)用初探、超導(dǎo)電子器件的發(fā)展以及千方百計(jì)尋找超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度高的材料.

發(fā)現(xiàn)鈮三錫（Tc＝18.1K）后，1961年用它制成功第一個(gè)能產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)的超導(dǎo)磁體，可達(dá)7×104Gauss，它體積小、重量輕、電能損耗小，這開辟了第三代磁體.其他實(shí)用超導(dǎo)材料還制成的有Nb-Ti合金（Tc＝9.5K），V3Ga（Tc＝16.5K）等.

1969年，英國(guó)制成一臺(tái)3 250馬力的直流超導(dǎo)電機(jī).1966年波維耳等建議利用超導(dǎo)磁體和路基導(dǎo)體中感應(yīng)渦流之間的磁性排斥力把列車懸浮起來(lái)運(yùn)行，設(shè)計(jì)速度550km／h.

1962年約瑟夫森（B.D.Josephson）指出，庫(kù)珀電子對(duì)有量子隧穿透過(guò)很薄的絕緣層的性質(zhì)，他的計(jì)算預(yù)言：S1IS2夾層（S1，S2為超導(dǎo)薄層，I為絕緣薄層）可以通過(guò)無(wú)阻電流，只要電流小于某一臨界值.1963年他的預(yù)言即被證實(shí)，稱為約瑟夫森效應(yīng)或超導(dǎo)隧道效應(yīng).這開辟了超導(dǎo)電子學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域.1963年羅威耳發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)隧道結(jié)的臨界電流隨磁場(chǎng)變化非常敏感.1964年默塞羅等人發(fā)現(xiàn)了量子干涉效應(yīng)，這是超導(dǎo)量子干涉儀（SQUID）的基礎(chǔ)；它的基本結(jié)構(gòu)為包含兩個(gè)超導(dǎo)結(jié)的超導(dǎo)金屬環(huán).在這裝置下超導(dǎo)結(jié)的臨界電流隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的微小變化而劇烈改變，目前分辨率可達(dá)10－11Gauss，這種高靈敏度可用來(lái)測(cè)磁場(chǎng)及其穩(wěn)定度，月球巖石磁、生物磁以及探礦、軍事等用途［2］.1966年馬梯索建議利用約瑟夫森結(jié)可處于結(jié)電阻為零與不為零的兩個(gè)狀態(tài)作為超導(dǎo)計(jì)算機(jī)記憶元件.如能制成超導(dǎo)電子計(jì)算機(jī)，它速度快、體積小、容量大、功率損耗小.

所有這些嘗試乃至初步應(yīng)用都令人鼓舞.可是由于當(dāng)時(shí)超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度太低，都要使用液氦做實(shí)驗(yàn)，均未能大力推廣.

1.4 1986年在高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度超導(dǎo)材料上發(fā)生一次突破

直到1985年超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的最高紀(jì)錄是23.2 K，它是Nb3Ge（鈮三鍺）.然而，突破開始.IBM的蘇黎世實(shí)驗(yàn)室的J.G.Bednorz和 K.A.Müller于1986年4月投稿給Zeitschrift für physik宣布

（x＝1或0.75，y＞0）可能具有大于30K的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度，其后的研究都證實(shí)了這一發(fā)現(xiàn)，他們于1987年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).繼此發(fā)現(xiàn)之后數(shù)年，發(fā)現(xiàn)了一系列高溫銅氧化物超導(dǎo)體，如Y-Ba-Cu-O系列，Ba-Sr-Ca-Cu-O 及 Tl-Ba-Ca-Cu-O 系 列， 而HgBa2Ca2Cu3O8在壓強(qiáng)31GPa下，Tc達(dá)164K，是目前超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的最高紀(jì)錄.

2 關(guān)于高溫超導(dǎo)機(jī)制問(wèn)題的討論

BCS超導(dǎo)理論是建立在費(fèi)米液體基礎(chǔ)上，以電聲作用為媒介使兩電子間產(chǎn)生吸引作用從而形庫(kù)珀電子對(duì)而導(dǎo)致超導(dǎo)電性的理論［2］.在BCS理論下，有人曾計(jì)算表明，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度最高只有40K左右.而高溫銅氧化的超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)沖破了這一底線，于是各種問(wèn)題及理論模型相繼出現(xiàn)［4］，迄今距高溫銅氧化物超導(dǎo)體首次被發(fā)現(xiàn)（1986年）已經(jīng)歷25年，公認(rèn)的高溫超導(dǎo)理論仍未形成.此中有三個(gè)帶有根本性的問(wèn)題：一是，高溫銅氧化物超導(dǎo)態(tài)是否仍存在庫(kù)珀電子對(duì)；二是，導(dǎo)致體內(nèi)兩電子間產(chǎn)生吸引作用的媒介是否還唯一地為電子聲子作用；三是，BCS理論基礎(chǔ)是費(fèi)米液體理論，其超導(dǎo)正常態(tài)具費(fèi)米球面，那么對(duì)于高溫銅氧化物超導(dǎo)體而言，其正常態(tài)是費(fèi)米液體，還是非費(fèi)米液體抑或近費(fèi)米液體［4］，顯然這是更根本的問(wèn)題.

關(guān)于是否仍為庫(kù)珀電子對(duì)的超導(dǎo)態(tài)，這一問(wèn)題已由實(shí)驗(yàn)肯定了.但是，實(shí)驗(yàn)也表明，高溫銅氧化物超導(dǎo)態(tài)的相干長(zhǎng)度很小，只有1nm的數(shù)量級(jí)（BCS超導(dǎo)體的相干長(zhǎng)度約為103nm）.另外，前已表明，同位素效應(yīng)是有助于探索超導(dǎo)機(jī)制的重要性質(zhì)，BCS超導(dǎo)體同位素效應(yīng)指數(shù)約在0.5附近，而高溫銅氧化物的同位素效應(yīng)指數(shù)為0.026到0.3的范圍.高溫銅氧化物超導(dǎo)電性是非通常的，這是當(dāng)前共識(shí).然而對(duì)下面一些因素哪個(gè)重要，則眾說(shuō)紛云：自旋和電荷有序（條紋相）、自旋漲落、與反鐵磁相的鄰近（摻雜后逐漸破壞反鐵磁長(zhǎng)程序）、贗隙的出現(xiàn)以及量子臨界點(diǎn)等.

這里我談一下條紋相，我以為它是費(fèi)米液體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變化的顯示.在許多高溫銅氧化物超導(dǎo)體的固體電子液體中發(fā)現(xiàn)了條紋相.簡(jiǎn)單地說(shuō)，條紋相是指由退局域化的單電子態(tài)（可形象地稱之為“電子河”）及具有自旋序的局域化電子疇二者組成，這兩者間發(fā)生不間斷地量子漲落，漲落時(shí)間約為10－12s；當(dāng)進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)后，有人認(rèn)為，這些條紋的漲落并未消失，而是由無(wú)數(shù)無(wú)序存在的動(dòng)力條紋態(tài)以某種方式形成一種整體態(tài)，稱之為超導(dǎo)量子液體態(tài).概括而言，這可稱為雙成分理論［4］.大家知道20世紀(jì)所建立的費(fèi)米液體理論，其圖像可概括為由準(zhǔn)粒子所組成的氣體結(jié)構(gòu)，這些準(zhǔn)粒子服從費(fèi)米統(tǒng)計(jì)，而上述由實(shí)驗(yàn)觀察到的高溫銅氧化物固體電子結(jié)構(gòu)條紋相，自然對(duì)20世紀(jì)建立的費(fèi)米液體模型提出其深層次結(jié)構(gòu)的質(zhì)凝，這是當(dāng)前固體物理中面臨的一個(gè)根本問(wèn)題.目前，有關(guān)高溫銅氧化物的超導(dǎo)理論正是面臨這一問(wèn)題，加上造成固體內(nèi)兩電子間產(chǎn)生吸引作用的媒介不能完全由BCS理論框架所完全解決，這就是25年來(lái)，有關(guān)高溫銅氧化物超導(dǎo)理論仍未解決的關(guān)鍵所在.

Zaanen曾提出了一個(gè)有趣的隱喻［5］，他說(shuō)，高溫超導(dǎo)體中的電子世界可比作：在超導(dǎo)態(tài)下，其中的電子世界像是繁忙的高速公路上密密麻麻的高速汽車，但可以發(fā)生交通“堵塞”，這相當(dāng)于未摻雜時(shí)高溫銅氧化物超導(dǎo)體母體，是絕緣體，稍摻雜后，就像繁忙的來(lái)往車輛的交通了；然而在對(duì)母體高摻雜后，被“量子鬼”樣的“物”重?fù)袅艘幌拢率怪T電子似乎完全“忘記”了繁忙的“高速公路”，而進(jìn)入了正常費(fèi)米液體狀態(tài).這個(gè)“量子鬼“是什么物理因素呢？目前不知道.而筆者認(rèn)為，應(yīng)是上述雙成分系統(tǒng)內(nèi)，雙成分間的量子混雜作用［4］.

3 超導(dǎo)應(yīng)用技術(shù)之鳥瞰

已故超導(dǎo)材料專家馬梯阿斯曾說(shuō)：“如果在常溫下，例如300K左右實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)，則將使現(xiàn)代文明的一切技術(shù)發(fā)生變化”.這包括兩大領(lǐng)域，一是電力工程，二是超導(dǎo)電子學(xué).前者如電能輸運(yùn)、電機(jī)、發(fā)電廠、超導(dǎo)儲(chǔ)能、超導(dǎo)磁體、超導(dǎo)磁懸浮列車等［2］；后者如超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)、超導(dǎo)電子探微器、高靈敏度電磁通量?jī)x器、地球物理探礦及探油、地震研究、醫(yī)學(xué)臨床應(yīng)用、人腦各區(qū)性能、生物磁學(xué)以及軍事應(yīng)用等［2］.

在發(fā)現(xiàn)液氮溫區(qū)超導(dǎo)后，由于制液氮比制液氦便宜，曾激起了人們大量研究液氮溫區(qū)下超導(dǎo)的技術(shù)應(yīng)用，可以說(shuō)揭開了超導(dǎo)應(yīng)用歷史序幕.但就目前看來(lái)，如不能發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的材料，至少在電力工程上無(wú)法大量應(yīng)用.但是，在超導(dǎo)電子學(xué)上的應(yīng)用已可大力展開［2］.限于篇幅，這里只講一點(diǎn)，應(yīng)用超導(dǎo)量子干涉儀（SQUID，可在液氮溫區(qū)工作）可探測(cè)極弱磁場(chǎng)，分辨率達(dá)10－11Gauss，它可以測(cè)人體弱磁，月球巖磁及行星巖磁，靈敏度為10－19V的電壓以及生物磁［6］等.這里我特別強(qiáng)調(diào)生物磁性問(wèn)題，對(duì)人體磁已可在醫(yī)院臨床應(yīng)用，用SQUID儀器是無(wú)可替代，它可測(cè)10－6Gauss的心磁信號(hào)，腦磁10－8Gauss，受激腦磁信號(hào)10－9Gauss，用SQUID測(cè)肝磁、肺磁為無(wú)創(chuàng)傷性醫(yī)檢，可為病人減少痛苦；心磁圖已有報(bào)道，可與心電圖對(duì)比醫(yī)檢；腦磁圖可測(cè)人腦各部位的作用及機(jī)理.在醫(yī)學(xué)醫(yī)用時(shí)都是用液氮區(qū)SQUID，可提供腦系統(tǒng)功能信號(hào)圖譜.

1 劉兵，章立源.超導(dǎo)物理學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史.西安：陜西科學(xué)技術(shù)出版社，1988

2 章立源.超越自由 —— 神奇的超導(dǎo)體.北京：科學(xué)出版社，2005

3 J.Bardeen，L.N.Cooper，J.R.Schrieffer.Phys.Rve.（1957），Vol.108，1175

4 章立源.超導(dǎo)理論.北京：科學(xué)出版社，2003

5 Jan Zaanen.Nature（2009）Vol.457，546

6 章立源.生物磁性研究之進(jìn)展.物理通報(bào)，1985（3）：1