古往今來之超導(dǎo)

王三軍，譚玉婷

1河南教育學(xué)院理論物理重點(diǎn)學(xué)科組；2鄭州大學(xué)物理工程學(xué)院

古往今來之超導(dǎo)

王三軍1，譚玉婷2

1河南教育學(xué)院理論物理重點(diǎn)學(xué)科組；2鄭州大學(xué)物理工程學(xué)院

從汞、錫到高溫氧化物、多元化合物及合金，甚至有機(jī)超導(dǎo)材料，從低溫技術(shù)到高壓技術(shù)、薄膜技術(shù)、極快速冷卻以及非晶無序技術(shù)，人類對超導(dǎo)電性的探索和認(rèn)識(shí)從未停下過腳步?；诹汶娮栊?yīng)、邁斯納效應(yīng)、同位素效應(yīng)、超導(dǎo)能隙、動(dòng)量凝聚等概念，BSC理論問世，科學(xué)家們開始建立起比較完善的超導(dǎo)理論，隨后開始了對超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用階段的準(zhǔn)備階段并最終爆發(fā)了超導(dǎo)技術(shù)開發(fā)時(shí)代。

超導(dǎo)；發(fā)展史；技術(shù)應(yīng)用；展望

一、引言

超導(dǎo)的歷史可以追溯到十九世紀(jì)。在十九世紀(jì)末，一度被視為“永久氣體”的氧氣、氮?dú)?、氫氣，得益于液化氣體的實(shí)驗(yàn)技術(shù)的突破，而終于被液化。到二十世紀(jì)初，荷蘭萊登實(shí)驗(yàn)室在科學(xué)家卡茂林·昂尼斯（K.Onnes）的指導(dǎo)下，終于實(shí)現(xiàn)了氦氣的液化，并獲得了當(dāng)時(shí)所能達(dá)到的最低溫度。由于利用真空蒸餾易于得到純汞，他們便進(jìn)一步選擇汞做實(shí)驗(yàn)，繼而發(fā)現(xiàn)了汞在低溫下的零電阻超導(dǎo)電性。

1933年，德國物理學(xué)家邁斯納（W.Meissner）和奧森菲爾德（R. Ochsebfekd）的磁測量實(shí)驗(yàn)打破了人們對于超導(dǎo)體與完全超導(dǎo)體的等同認(rèn)識(shí)，否認(rèn)了“凍結(jié)”概念，提出邁斯納效應(yīng)（Meissner ef?fect）——當(dāng)一個(gè)磁體和一個(gè)處于超導(dǎo)態(tài)的超導(dǎo)體相互靠近時(shí)，磁體的磁場會(huì)使超導(dǎo)體表面中出現(xiàn)超導(dǎo)電流。此超導(dǎo)電流在超導(dǎo)體內(nèi)部形成的磁場，恰好和磁體的磁場大小相等，方向相反。這兩個(gè)磁場抵消，使超導(dǎo)體內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，B=0，即超導(dǎo)體完全排斥體內(nèi)的磁場。

1950年英國的H.弗羅利希（H.Frohlich）指出，金屬中電子通過交換聲子（點(diǎn)陣振動(dòng)）可以產(chǎn)生吸引作用，他預(yù)言超導(dǎo)體的臨界溫度與同位素的質(zhì)量之間存在一定的關(guān)系。同年麥克斯韋（E. Maxwell）和雷諾（C.A.Rayhold）各自獨(dú)立測量了水銀同位素的臨界轉(zhuǎn)變溫度，弗羅里希的預(yù)言得到了實(shí)驗(yàn)的證實(shí)。同位素效應(yīng)（Iso?topic effect）[1]將晶格振動(dòng)（其量子稱為聲子）與電子聯(lián)系起來，接著，在超導(dǎo)態(tài)電子熱容,超導(dǎo)體微波吸收“邊”效應(yīng)以及超導(dǎo)體電子隧道效應(yīng)等實(shí)驗(yàn)證據(jù)支持下，證明了在超導(dǎo)態(tài)電子能譜中,超導(dǎo)基態(tài)及其激發(fā)態(tài)之間通常有能隙存在,稱之為超導(dǎo)能隙（Supercon?ducting energy gap），其后又有動(dòng)量凝聚的概念提出。基于這樣大量的理論準(zhǔn)備，超導(dǎo)微觀機(jī)理終于初現(xiàn)眉目。

二、低溫超導(dǎo)

量子力學(xué)建立之前，人們試圖以若干唯象理論來描述超導(dǎo)電行為?；跓崃W(xué)理論，超導(dǎo)相的二流體唯象模型誕生。二流體模型的基本假設(shè)就是：在超導(dǎo)相中有一些共有化電子變成了高度有序的超導(dǎo)電子[2]。1935年，倫敦兄弟在二流體模型的基礎(chǔ)上提出了兩個(gè)描述超導(dǎo)電流和電磁場關(guān)系的方程，稱為倫敦方程。在倫敦方程的基礎(chǔ)上，前蘇聯(lián)物理學(xué)家京茨堡（Ginzburg）和朗道（Landau）于1950年引入了有效電子波函數(shù)來描寫超電子，并引進(jìn)了超導(dǎo)體的穿透深度和相干長度兩個(gè)重要參數(shù)[3]，建立了京茨堡-朗道理論（簡稱G-L理論），推導(dǎo)超導(dǎo)轉(zhuǎn)變附近的臨界行為。

對于二流體模型中所假設(shè)的超導(dǎo)電子究竟是什么的問題，1956年庫珀（Cooper）提出了庫珀模型，將多體問題轉(zhuǎn)化為了二體問題。庫珀從理論上證明了費(fèi)米面附近的兩個(gè)電子，只要存在凈的吸引作用，不管多么微弱，都可以形成束縛態(tài)——庫珀對，并發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)態(tài)是由正則動(dòng)量為零的超導(dǎo)電子組成的，是動(dòng)量空間的凝聚現(xiàn)象。然而金屬中參與相變的電子數(shù)目是大量的，于是第二年，J.巴?。↗.Bardeen）、庫珀和J.R.施里弗（J.R.Schrieffer）一起將庫珀簡單結(jié)果推廣到了多電子系統(tǒng)，共同建立了完整的超導(dǎo)微觀理論——BCS理論（BCStheory）。BCS理論[4]是以電子-聲子相互作用為基礎(chǔ)解釋超導(dǎo)電性的經(jīng)典理論，它很好地解釋金屬元素及金屬間化合物的超導(dǎo)電性。

然而正因?yàn)锽CS理論是以近自由電子模型為基礎(chǔ)，是在電子－聲子作用很弱的前提下建立起來的理論，對于某些超導(dǎo)體，例如汞和鉛,有一些現(xiàn)象不能用它來解釋，這就促使了超導(dǎo)強(qiáng)耦合理論[5]的發(fā)展。麥克米蘭（McMillan）在艾利夏博格（Eliashberg）方程的基礎(chǔ)上作出了簡化近似，提出了強(qiáng)耦合公式。在BCS理論發(fā)表后戈?duì)柨路颍℅orkov）嘗試采用格林函數(shù)方法研究超導(dǎo)理論，也獲得了很大的應(yīng)用。

1957年，阿布里科索夫（Abrikosov）預(yù)言了在第二超導(dǎo)體中會(huì)有渦旋的陣列，并從G-L方程導(dǎo)出，在第二類超導(dǎo)體中，磁場其實(shí)是以量子化的量子磁通渦旋進(jìn)入超導(dǎo)體內(nèi)部的，一個(gè)磁通量子為Φ0=h/2e（約為2.067×10-15Wb）。在低溫和低場下，量子磁通渦旋將有序地排列。量子化的磁通很快就被實(shí)驗(yàn)所證實(shí)，并開辟了涉及超導(dǎo)應(yīng)用的一個(gè)重要領(lǐng)域——超導(dǎo)體的磁通動(dòng)力學(xué)研究。

在電子-聲子的超導(dǎo)電性機(jī)構(gòu)下，要提高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度是艱難而緩慢的過程，那么是否有其他類型產(chǎn)生超導(dǎo)的機(jī)構(gòu)呢？

1964年，勒特耳（Little）設(shè)想了一種結(jié)構(gòu)的有機(jī)分子，兩電子間通過交換激子而產(chǎn)生吸引作用，從而出現(xiàn)超導(dǎo)態(tài)。前蘇聯(lián)金斯貝格（Ginzburg）著重從表面或界面超導(dǎo)電性的角度提出了一種實(shí)現(xiàn)激子超導(dǎo)電性夾層結(jié)構(gòu)的建議，所謂夾層是由介質(zhì)-金屬-介質(zhì)組成，激子在介質(zhì)層區(qū)域傳播，金屬內(nèi)的兩電子借交換這些激子而彼此吸引。但迄今激子機(jī)制的超導(dǎo)設(shè)想尚未實(shí)現(xiàn)。

對準(zhǔn)二維系統(tǒng)的超導(dǎo)性研究還提出過負(fù)U夾層模型。負(fù)U夾層模型的基本模型是由兩鄰近薄層所組成的夾層系統(tǒng)，一層是BCS超導(dǎo)薄膜，與之接觸的另一層是具有負(fù)U中心的非簡單金屬薄膜。U膜的獨(dú)特之處是具有無規(guī)則分布的局域化電子對，電子對由自旋相反的兩電子組成，兩電子之間有吸引的哈伯德（Hub?bard）相互作用。

三、高溫超導(dǎo)

在麥克米蘭（McMillan）觀察中，超導(dǎo)體的Tc最高可能只能到達(dá)40 K（麥克米蘭極限），然而人類沒有放棄對更高的臨界溫度Tc的追求。在高溫超導(dǎo)電性發(fā)現(xiàn)以后的十年間，Tc更是以每年多于10K的增長速度刷新著記錄。

1986年超導(dǎo)材料的研究取得了突破性進(jìn)展，IBM瑞士研究中心喬治·貝德諾（J.Georg.Bednorz）和亞歷桑德爾·繆勒（K.Alexaner. Mueller）發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度為35K的鑭系高溫氧化物超導(dǎo)體。這一重大發(fā)現(xiàn)使沉悶了70年的超導(dǎo)研究又重新拉開了帷幕，在全世界掀起了稀土超導(dǎo)熱。1年后，即1987年，美國華裔科學(xué)家朱經(jīng)武以及中國科學(xué)家趙忠賢相繼在釔－鋇－銅－氧系（YBCO）材料上把臨界超導(dǎo)溫度提高到90K以上，液氮的“溫度壁壘”（77K）也被突破了。隨后短短的數(shù)年內(nèi)，人們又相繼發(fā)現(xiàn)了稀土系、鉍系、鉈系和汞系等氧化物超導(dǎo)材料，在加壓條件，汞系氧化物的最高Tc可達(dá)160K。這類氧化物超導(dǎo)材料的臨界轉(zhuǎn)變溫度遠(yuǎn)高于25K，可以工作在廉價(jià)的液氮環(huán)境中，所以這類氧化物超導(dǎo)材料被稱為高溫超導(dǎo)材料。到目前為止，發(fā)現(xiàn)的5000多種超導(dǎo)材料中，高溫超導(dǎo)材料約有50多種，研究最廣泛的是鉍系、釔系氧化物和二硼化鎂。

2008年日本科學(xué)家首先發(fā)現(xiàn)鐵基超導(dǎo)體有26K的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度，同年，中科院物理所科研小組報(bào)告，鍶摻雜錮氧鐵砷化合物的超導(dǎo)臨界溫度為25k，這些發(fā)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)了高溫超導(dǎo)基礎(chǔ)研究領(lǐng)域上新的突破，為新型高溫超導(dǎo)研究指明了一個(gè)新的方向，新的鐵基超導(dǎo)材料將激發(fā)物理學(xué)界新一輪的高溫超導(dǎo)研究高潮。

鐵基超導(dǎo)體是一類全新的系統(tǒng)，它不是摻雜的莫特絕緣體，但有較強(qiáng)的電子關(guān)聯(lián)。鐵基超導(dǎo)機(jī)理的研究，是高溫超導(dǎo)機(jī)理研究的一個(gè)重要組成部分，這方面的進(jìn)展對整個(gè)強(qiáng)關(guān)聯(lián)物理研究都會(huì)產(chǎn)生非常積極的影響。

有專家指出，高溫超導(dǎo)電性是當(dāng)代凝聚態(tài)物理中的核心問題。高溫超導(dǎo)的研究，將對傳統(tǒng)的經(jīng)典理論提出挑戰(zhàn)，迄今為止，高溫超導(dǎo)的相關(guān)文獻(xiàn)浩若煙海，有各種各樣的實(shí)驗(yàn)手段、測量結(jié)果以及理論模型，但高溫超導(dǎo)機(jī)理仍然沒有共識(shí)。

四、重費(fèi)米子超導(dǎo)

重費(fèi)米子超導(dǎo)是最早發(fā)現(xiàn)的非常規(guī)超導(dǎo)。和高溫銅氧化物超導(dǎo)體一樣，重費(fèi)米子系統(tǒng)也是強(qiáng)電子關(guān)聯(lián)，強(qiáng)關(guān)聯(lián)使這些系統(tǒng)的正常態(tài)出現(xiàn)了許多新性質(zhì)。

1975年，布赫（Bucher）研究發(fā)現(xiàn)UBe13有超導(dǎo)相變，Tc= 0.97K，但由于當(dāng)時(shí)理論的局限，使確認(rèn)UBe13為重費(fèi)米子超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)推遲到了1983年，重費(fèi)米子超導(dǎo)研究在過去三十多年間積累了豐富的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，但在理論上，由于材料的復(fù)雜性以及多種效應(yīng)的競爭，一直缺乏廣泛認(rèn)可的深入研究。

人們認(rèn)為量子臨界漲落是導(dǎo)致重費(fèi)米子超導(dǎo)的誘因，但又與超導(dǎo)態(tài)形成競爭。Varma曾建議[6]，重費(fèi)米子超導(dǎo)電性可能不像BCS理論那樣以聲子為媒介而引起電子間吸引而配對，他認(rèn)為重費(fèi)米子超導(dǎo)體可能是與3He超流態(tài)類似的各向異性超導(dǎo)體。由于在重費(fèi)米子材料中既有超導(dǎo)電性又有自旋漲落發(fā)生，于是提出近局域化的費(fèi)米液體理論。Razafimandimby等人在費(fèi)米液體理論框架內(nèi)，采用KKR能帶方法討論了重費(fèi)米子超導(dǎo)，Tachiki唯象地引入超導(dǎo)配對相互作用，Kaga等人采用延遲格林函數(shù)方法計(jì)算了電子態(tài)密度。2015年我國中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實(shí)驗(yàn)室（籌）研究員楊義峰與加州大學(xué)戴維斯分校教授D. Pines和N.J.Curro合作，對一類重費(fèi)米子超導(dǎo)材料進(jìn)行了系統(tǒng)分析，發(fā)現(xiàn)這些材料中的一些普適性質(zhì)，也提出了一個(gè)此類重費(fèi)米子超導(dǎo)的簡單的理論模型。

五、超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用研究進(jìn)展

我國的超導(dǎo)研究進(jìn)展主要體現(xiàn)在超導(dǎo)材料的研制及超導(dǎo)電力技術(shù)的應(yīng)用，中科院及各大高校等也為中國的超導(dǎo)研究做了很多貢獻(xiàn)。

超導(dǎo)材料方面，我國在鉍系帶材、釔系大面積雙面薄膜、釔系新型涂層帶材、釔系準(zhǔn)單疇塊材和高溫超導(dǎo)電纜等方面,其技術(shù)發(fā)展水平與國際水平相當(dāng)或相近,某些方面甚至處于國際領(lǐng)先水平[7]。早在2000年12月,國產(chǎn)的340余塊釔系塊材就用于世界首輛載人高溫超導(dǎo)磁懸浮實(shí)驗(yàn)車系統(tǒng)。超導(dǎo)電力技術(shù)應(yīng)用方面，從超導(dǎo)濾波器技術(shù)開始，2001年10月清華大學(xué)研制成功我國第一臺(tái)GSM1800移動(dòng)通信用高溫超導(dǎo)濾波器系統(tǒng)。2004年3月26日在國內(nèi)首次將超導(dǎo)濾波器應(yīng)用于中國聯(lián)通唐山分公司的碼分多址移動(dòng)通信基站,超導(dǎo)濾波器系統(tǒng)已連續(xù)運(yùn)行兩年多,實(shí)現(xiàn)了我國高溫超導(dǎo)的第一次實(shí)際應(yīng)用[8]。

2016年9月，中科院電工研究所馬衍偉團(tuán)隊(duì)成功研制世界上首根100米量級的鐵基超導(dǎo)長線。這一重大突破也是鐵基超導(dǎo)材料從實(shí)驗(yàn)室研究走向產(chǎn)業(yè)化的里程碑式的發(fā)展，這標(biāo)志著我國在鐵基超導(dǎo)材料技術(shù)領(lǐng)域的研發(fā)走在了世界前沿。2016年11月中科院還研制成功了世界最強(qiáng)大型超導(dǎo)高場磁體裝置。

在超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用上，中國“人造太陽”再獲重大突破，全超導(dǎo)托卡馬克裝置東方超環(huán)（EAST）在純射頻波加熱、鎢偏濾器等類似國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆ITER未來運(yùn)行條件下，獲得超過60秒的完全非感應(yīng)電流驅(qū)動(dòng)（穩(wěn)態(tài)）高約束模等離子體。曾經(jīng)，可控的核裂變給了人類極大的生產(chǎn)生活的進(jìn)步，如今，可控核聚變是人類的希望！

當(dāng)然，超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用遠(yuǎn)不止這些，例如薄膜超導(dǎo)材料在超導(dǎo)量子干涉儀，約瑟夫森結(jié)轉(zhuǎn)換器，紅外探測器，微波諧振器等儀器上的應(yīng)用，還有地球物理探礦技術(shù)、地震研究技術(shù)，軍事應(yīng)用，生物磁學(xué)及相關(guān)醫(yī)學(xué)臨床應(yīng)用等方方面面。

六、啟示與展望

導(dǎo)致配對凝聚的機(jī)制是什么？配對前后的電子狀態(tài)是怎樣的？是否可能獲得更高的乃至室溫量級的新超導(dǎo)體？高溫超導(dǎo)是否有更合適的微觀機(jī)制？未來高溫超導(dǎo)材料研究的走向又是如何？超導(dǎo)的應(yīng)用是否有更廣闊的范圍？生物體內(nèi)的超導(dǎo)體研究又該何去何從？科技日新月異，超導(dǎo)理論和技術(shù)的研究研究也在飛速地發(fā)展，但仍會(huì)有許多問題亟待解決。

相比于物理學(xué)其他領(lǐng)域如量子力學(xué)的奇跡式發(fā)展，超導(dǎo)理論的發(fā)展之路看起來異?！奥L”，但科學(xué)必須是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)模倳?huì)受到當(dāng)時(shí)科學(xué)發(fā)展階段的限制。超導(dǎo)理論的建立發(fā)展不能一蹴而就，必得基于前人的大量理論基礎(chǔ)準(zhǔn)備。并且之前超導(dǎo)材料要用液氦做致冷劑才能呈現(xiàn)超導(dǎo)態(tài)，然而那時(shí)冷卻技術(shù)并沒有達(dá)到科學(xué)家們的要求，因而在研究及應(yīng)用上受到很大限制。隨著新技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，新超導(dǎo)材料層出不窮，超導(dǎo)臨界溫度也一次次刷新著，例如高壓條件下的類稀土及稀土超導(dǎo)態(tài)，薄膜技術(shù)對一些元素如鎢的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的大大提高，多元化合物及合金離子注入技術(shù)對Tc的影響。

可以看到，實(shí)驗(yàn)在超導(dǎo)的研究過程中占據(jù)著重要的位置。盡管超導(dǎo)理論不斷在發(fā)展，但它始終不能明確預(yù)言接下來超導(dǎo)電性的發(fā)現(xiàn)，人們對高Tc材料的探索始終處于經(jīng)驗(yàn)半經(jīng)驗(yàn)的狀態(tài)。但也正是通過對材料及現(xiàn)象的研究，人們才對超導(dǎo)理論獲得越來越深入的認(rèn)識(shí)。理論對技術(shù)應(yīng)用既有促進(jìn)作用又會(huì)產(chǎn)生牽制。超導(dǎo)理論到如今顯然已經(jīng)不能滿足技術(shù)發(fā)展的需要，人們亟待一個(gè)新的超導(dǎo)理論來解決超導(dǎo)的低成本應(yīng)用問題，并通過新的認(rèn)知對自然有更多的認(rèn)識(shí)。目前的超導(dǎo)理論機(jī)制還不完善，需要科學(xué)家們繼續(xù)探索研究。

另外，在科學(xué)發(fā)展史上，分工與綜合也應(yīng)是辯證統(tǒng)一的。一個(gè)人的精力總是有限的，不可能面面俱到，同時(shí)分工也有益于提高效率。但是在如今學(xué)科分類如此精細(xì)化的情況下，綜合就顯得更為重要。超導(dǎo)技術(shù)是也一項(xiàng)綜合性強(qiáng)，需要多學(xué)科配合的技術(shù)，它的發(fā)展與材料、物理、化學(xué)、低溫技術(shù)和超導(dǎo)物理等學(xué)科密切相關(guān)。它的應(yīng)用與電工電氣工程聯(lián)系也很緊密，如電能的產(chǎn)生、傳輸與儲(chǔ)存、低溫下的電工測量與傳感器、強(qiáng)場下環(huán)境電磁學(xué)、生物電磁學(xué)（心磁、腦磁）等，而電工科學(xué)與超導(dǎo)技術(shù)的結(jié)合，又將進(jìn)一步推動(dòng)電工電氣學(xué)科的進(jìn)一步的發(fā)展。同時(shí)，超導(dǎo)的研究還導(dǎo)致了其他學(xué)科的興起，例如超導(dǎo)儲(chǔ)能、生物磁學(xué)等。

隨著研究工作的進(jìn)一步的深入，超導(dǎo)理論終將完善，超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用也必將日益擴(kuò)大，為國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展作出重要的貢獻(xiàn)?？茖W(xué)史總給人無限啟發(fā)，科學(xué)也正是因?yàn)閷栴}的不懈探索和反思才不斷向前。

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[3]章立源,張金龍,崔廣霽.超導(dǎo)物理學(xué)[M].北京：電子工業(yè)出版社,1995：88-93

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河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目計(jì)劃（13A140225）。

王三軍（1977-），女，碩士，講師，研究方向：凝聚態(tài)物理計(jì)算材料。