高溫超導體的發現
1986年1月,瑞士物理學家卡爾·亞歷克斯·米勒和他的德國合作者約翰尼斯·格奧爾·貝德諾爾茨宣布,他們發現了一種不尋常的高轉變材料,這種陶瓷氧化金屬材料在一定的溫度下(-196℃)就會失去電子阻力達到超導狀態。米勒和貝德諾爾茨因此獲得了諾貝爾物理學獎。
高溫超導陶瓷化金屬材料的出現,使人們第一次可在液氮溫區應用超導材料,從而引起了科學界的高度重視,成為20世紀80年代最重大的科技成果被載入史冊,同時也促進了科學家們開始思考“室溫超導體是否存在”的問題。
超導性是物質處于特殊狀態下的導電行為,即物質在某一溫度下,電子輸運過程中不存在任何電阻,這個溫度就被稱為“轉變溫度”。很顯然,如果將物質的這種性能應用于人類社會生活,將會在電子、發電、制造領域產生一系列革命性的成果。自1911年荷蘭物理學家海克·卡曼林·昂尼斯首次發現汞在4.2K(-268.8℃)下出現超導性能后,科學家們一直在致力于探索高臨界溫度的超導材料。但在發現物質具有超導性以后的最初20多年時間里,由于科學家們家們始終把目光鎖定在金屬材料中,以致一直沒有找到臨界溫度能超過最初發現的超導體。直到1930年,科學家發現一種化合物——氧化鋁在15K的溫度下能產生超導性后,豁然開悟:原來化合物的起始轉變溫度要高于所有元素。在此后50多年的時間里,一系列具有超導性的化合物被陸續發現,一些金屬及合金的超導性能也相繼被發現。
在尋找高溫超導體的同時,科學家試圖對物質的這種特性做出理論解釋。早在1935年,物理學家倫敦就提出應基于量子理論來解釋物質的超導現象。他的理論預言之一就是通過一個超導環的磁通量應是量子化的。這一預防在1962年被實驗所證實,不過一些數據進行了修正。1957年,美國伊利諾斯大學的庫柏教授和美國物理學家巴丁·施里弗共同提出了電子相互作用會形成所謂“Copper”電子對,并以此來闡明為什么會出現超導現象。他們關于超導的這一微觀理論被稱為BCS理論,它成功地推論出大多數超導體的許多性質。三位科學家因此榮獲了1972年諾貝爾獎。
以后,科學家們在BCS理論的基礎上又發展出了超導強耦合理論,從而解決了BCS理論與實驗不符的矛盾。科學家還曾經試圖用BCS理論來預測超導溫度能否大幅度提高,不過大部分結論都是否定的。因而對新超導機制的設想不斷涌現,對新體系的探索不斷展開,其中,有機超導體的探索更是成為討論的熱點。
到了1986年,米勒和貝德諾爾茨終于打破了尋找高溫超導體的僵局:他們不僅首次使物質的超導轉變溫度超過30K達到了35K,而且成為大量發現高溫超導體的第一例,真正向世人展示了超導體廣泛應用的美好前景。1987年,美國科學家保羅·楚發現了另一種起始轉變溫度在-179℃的陶瓷材料。隨后的發現便一發不可收拾,90K、110K、125K、135K……超導轉變溫度的紀錄不斷被刷新。此時,BCS理論就較難用于解釋高溫超導電性了,人類對高溫超導的機制研究還有待發展。
由于絕大多數的有機化合物都是絕緣體,所以長期以來,在人們的觀念中不會把超導性和有機固體聯系起來。事實上,自1972年第一個具有金屬電導性的有機晶體問世后,科學家又進入了對有機導體的研究階段。在1979年,巴黎大學和哥本哈根大學的兩位科學家合作發現了第一個有機超導體,轉變溫度為0.9K,它是電荷轉移鹽類的有機單晶。這個發現結束了人們關于有機超導體是否存在的疑慮,大大促進了有機超導體研究工作的發展。到目前為止,科學家們已經發現了40多種電荷轉移鹽類的超導體,最高轉變溫度也已超過了30K。
高溫超導體的發現,為超導材料的廣泛應用開辟了廣闊前景。科學家們相信,它在研制高性能電腦、聚變反應堆、發電站及電動機等領域將會產生巨大的效益。事實上,到20世紀末,采用超導技術建造的超導發電站已經在安裝之中了。
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