230多年前一个出自天才大脑的设想引出了某项技术的不断发展,如今这项技术已经深深影响了整个世界。这期间究竟发生了什么?1789年,一个设想出自法国化学家拉瓦锡天才的大脑:“假如地球被送进某个极为寒冷的区域…”。这个设想激励着科学界不断探索实现气体液化的各种方法,至1908年7月,荷兰的昂内斯成功完成了世界上液化难度最大的氦气液化,世界上所有的气体都可被液化了,拉瓦锡的设想终于成为了现实。
在实现拉瓦锡设想的20世纪初,科学界并没有完全认识到这项科研成果会有什么更重要的应用,谁都没想到,后续的科学发现对科技及社会的发展产生了极为重要的影响,而伟大的发现有时可能只因为比别人多想了一点点…。
昂内斯是位极有特点的科学家,他在获得成功完成氦气液化这个重大成果之后并没有停止他的研究工作,他所在的莱登大学物理实验室当时已成为世界低温物理学的研究中心。那时期,低温物理学的研究除了继续向“绝对零度”逼近之外还有了新的方向:探索极低温条件下物质的各种特性,莱登大学物理实验室具备的制冷技术条件得天独厚,对开展极低温物理研究十分有利。
昂内斯对金属在温度降低过程中电阻的变化规律十分感兴趣。
根据经典理论的分析,纯金属的电阻应随着温度的降低而降低,在绝对零度时电阻应为零。但当时科学界也有另一种观点,认为在极低温条件下经典理论可能不再适用,纯金属的电阻在随着温度下降到一个极小值后也可能会因自由电子在原子上的凝聚而造成电阻重新增大。昂内斯想通过测量纯金属电阻随温度的变化实验进行验证,由于金属铂(Pt)的电阻对温度的变化灵敏,他选用了铂来做低温实验。
多次实验都显示出铂的电阻会随着温度的下降而减小,但降到液氦温度之后铂的电阻却趋于平缓,不再随着温度的下降而变化。
昂内斯没有轻易对自己的实验结果下结论,他多想了一点点…:这个现象会不会是因为实验所用的铂纯度不够含有部分杂质所致?于是他决定改用当时更容易提纯的汞(Hg)来做实验样品(汞在室温下即为液态,用蒸馏法可获得极高纯度的汞,避免因样品含有杂质而影响实验结果)。
1911年4月28日,昂内斯在题为《在液氦温度下纯汞的电阻》的论文中首次报道了这个奇特发现。此后,昂内斯连续在《莱顿大学物理实验室通讯》上报道研究的进展,11月25日,昂尼斯发表了论文《汞电阻消失速率的突变》。
1913年,昂内斯发现锡(Sn)、铅(Pb)以及不纯的汞也会与纯汞一样在其“超导临界温度”发生电阻突然消失的现象。他将这种金属的零电阻特性称为“超导电性(Superconductivity)”,这是一种前所未知的物质性质,以零电阻为特征的金属态被称为“超导态”,具有这种性质的物体被称为“超导体”。
1917年,美国的弗朗西斯·西尔斯比发表了一篇论文《关于金属在低温下导电说明》,通过数据分析揭示了超导体“临界电流”与“临界磁场”的相互依赖关系:超导体的临界电流在超导体表面产生的磁场强度等于它的超导临界磁场,大于临界值的磁场会破坏超导体的超导态,而大于临界值的电流也会破坏超导态。
1933年,德国的瓦尔特·迈斯纳与罗伯特·奥森菲尔德在分析以前那些研究者们所做超导体磁性质的实验结果时注意到:此前的那些实验采用“先降温后加磁场”与采用“先加磁场后降温”所得到的结果略略有些不同。没有任何人注意过这个微小的差别,可迈斯纳与奥森菲尔德为此多想了一点点…:为什么会有这微小的差别呢?
经仔细分析发现:这些超导实验所用的超导体样品均为空心球壳或圆柱形,于是他们决定将实验样品由空心球状改为实心球状再进行同样的超导实验。
1934年,荷兰的里斯·戈特与亨德里克·卡西米尔提出了一个“超导电性二流体模型”:当超导体处于超导态时,超导体内的电子可分为两个部分:一部分是与普通导体中电子相同的正常电子,另一部分是具有超导电性运动时不受任何阻力的超导电子。该模型可解释许多与超导电性相关的实验现象。
1935年,德国的弗里茨·伦敦与海因茨·伦敦兄弟俩基于超导电性二流体模型提出了描述超导电流与电磁场关系的方程——“伦敦方程”。该方程定义静磁场下磁力线穿透超导体的表面深度λ为超导体的特性长度,在此范围内磁力线密度呈现指数衰减,如超导体尺寸与λ相近,磁场就会透入至超导体中心。
1950年,俄罗斯的维塔利·金兹堡与朗道合作,在朗道提出的二级相变理论基础上提出了一个从宏观角度描述超现象的数学模型(金兹堡-朗道方程,也称G-L方程):超导电子并非单独存在,电子之间可能有关联的最长距离称为它们的相干长度(受到外界扰动后超导恢复所需的空间尺度)。
1957年,俄罗斯的阿列克谢·阿布里科索夫研究超导体在外加磁场时的性质,他基于金兹堡-朗道方程(G-L方程)明确提出了两类超导体的定义概念:I型超导体(主要是金属超导体)外磁场无法进入超导体内部,而II型超导体(主要是合金和陶瓷超导体)允许外磁场通过。
1950年,麦克斯韦在实验中发现:同位素汞-198的相对原子质量比天然汞的平均相对原子质量稍轻,但同位素汞-198的超导临界温度比天然汞的超导临界温度高了0.021K,这说明金属的超导临界温度与金属的相对原子质量成反比,“金属的超导电性与其晶体结构有关”不再只是猜想而是实际的存在了。
麦克斯韦在1952年12月《今日物理》上发表的“The isotope effect in superconductivity”论文中描述了他的发现——他称之为超导电性的“同位素效应”。
1957年,BCS理论是美国的约翰·巴丁、里昂·库珀和约翰·施里弗创立的,BCS是他们姓氏的首字母缩写。他们三位在数年的合作中充分发挥各自优势,将量子力学、固体物理学以及场论方法结合起来,最终取得了突破性进展,形成了比较完整的超导微观理论。
1957年,在东京电讯工程公司(现在的索尼公司)从事半导体二极管内电场发射机理研究的江崎玲於奈意外得到一个重要发现:证实了半导体材料中存在着神奇的“隧道效应”。
1960年,美国的伊瓦尔·贾埃弗获得了另一个重要发现:他用铝-氧化铝-铅结合膜做成隧道组件进行超导实验(铅在7.2 K时成为超导体)。经不断改进实验条件,最终他证明了超导体隧道结中存在着隧道效应。
1962年,英国的布赖恩·约瑟夫森在剑桥大学做研究生。他在总结、分析前人探索经验的基础上又多想了一点…。他通过复杂的运算作出了一个大胆的理论预测:如果在两个超导体之间设置一个绝缘薄层,构成超导体-绝缘层-超导体互相接触的结构(即S-I-S结构),只要绝缘层足够薄,超导体内的电子对就有可能贯穿绝缘层势垒,从而在整个S-I-S结构中形成超导电流。
俄罗斯的格拉西姆·伊利埃伯格发现贾埃弗实验中获得的超导隧道效应曲线并不像BCS理论预言的那样光滑,且还有随温度变化的现象。伊利埃伯格对这个理论与实验之间出现的细微差别多想了一点点…。经过更深入的计算,他认为当时的BCS理论有局限之处,仅考虑了电子和声子之间的弱相互作用。
巴丁的学生威廉·麦克米兰也是位很有才华的理论物理学家,他将伊利埃伯格公式进一步作了简化近似,得到了一个更准确的超导临界温度经验公式。他认为在BCS理论框架下,将计算超导体临界温度上限的公式外推到极限情况,得到的最高超导体临界温度约30 - 40 K,这应该是所有超导体超导临界温度的理论上限,也就是所谓的“麦克米兰极限”。
数代科学家锲而不舍地奋斗了120年终于实现了拉瓦锡的设想,在此基础上,从昂内斯1911年发现超导电性到科学界完成对超导电性的微观解释又经历了46年。不少伟大的发现有可能只因为比别人多想了一点点…??超导电性的应用研究虽然显示出勃勃生机,但因超导所需的极低温度而受到很大制约,科学界需要努力寻找具有更高临界温度、更适于应用的超导材料,只是这个“麦克米兰极限”是否能被突破呢?