高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)
1986年1月,瑞士物理學(xué)家卡爾·亞歷克斯·米勒和他的德國(guó)合作者約翰尼斯·格奧爾·貝德諾爾茨宣布,他們發(fā)現(xiàn)了一種不尋常的高轉(zhuǎn)變材料,這種陶瓷氧化金屬材料在一定的溫度下(-196℃)就會(huì)失去電子阻力達(dá)到超導(dǎo)狀態(tài)。米勒和貝德諾爾茨因此獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
高溫超導(dǎo)陶瓷化金屬材料的出現(xiàn),使人們第一次可在液氮溫區(qū)應(yīng)用超導(dǎo)材料,從而引起了科學(xué)界的高度重視,成為20世紀(jì)80年代最重大的科技成果被載入史冊(cè),同時(shí)也促進(jìn)了科學(xué)家們開始思考“室溫超導(dǎo)體是否存在”的問題。
超導(dǎo)性是物質(zhì)處于特殊狀態(tài)下的導(dǎo)電行為,即物質(zhì)在某一溫度下,電子輸運(yùn)過程中不存在任何電阻,這個(gè)溫度就被稱為“轉(zhuǎn)變溫度”。很顯然,如果將物質(zhì)的這種性能應(yīng)用于人類社會(huì)生活,將會(huì)在電子、發(fā)電、制造領(lǐng)域產(chǎn)生一系列革命性的成果。自1911年荷蘭物理學(xué)家海克·卡曼林·昂尼斯首次發(fā)現(xiàn)汞在4.2K(-268.8℃)下出現(xiàn)超導(dǎo)性能后,科學(xué)家們一直在致力于探索高臨界溫度的超導(dǎo)材料。但在發(fā)現(xiàn)物質(zhì)具有超導(dǎo)性以后的最初20多年時(shí)間里,由于科學(xué)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(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)體。直到1930年,科學(xué)家發(fā)現(xiàn)一種化合物——氧化鋁在15K的溫度下能產(chǎn)生超導(dǎo)性后,豁然開悟:原來化合物的起始轉(zhuǎn)變溫度要高于所有元素。在此后50多年的時(shí)間里,一系列具有超導(dǎo)性的化合物被陸續(xù)發(fā)現(xiàn),一些金屬及合金的超導(dǎo)性能也相繼被發(fā)現(xiàn)。
在尋找高溫超導(dǎo)體的同時(shí),科學(xué)家試圖對(duì)物質(zhì)的這種特性做出理論解釋。早在1935年,物理學(xué)家倫敦就提出應(yīng)基于量子理論來解釋物質(zhì)的超導(dǎo)現(xiàn)象。他的理論預(yù)言之一就是通過一個(gè)超導(dǎo)環(huán)的磁通量應(yīng)是量子化的。這一預(yù)防在1962年被實(shí)驗(yàn)所證實(shí),不過一些數(shù)據(jù)進(jìn)行了修正。1957年,美國(guó)伊利諾斯大學(xué)的庫(kù)柏教授和美國(guó)物理學(xué)家巴丁·施里弗共同提出了電子相互作用會(huì)形成所謂“Copper”電子對(duì),并以此來闡明為什么會(huì)出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象。他們關(guān)于超導(dǎo)的這一微觀理論被稱為BCS理論,它成功地推論出大多數(shù)超導(dǎo)體的許多性質(zhì)。三位科學(xué)家因此榮獲了1972年諾貝爾獎(jiǎng)。
以后,科學(xué)家們?cè)贐CS理論的基礎(chǔ)上又發(fā)展出了超導(dǎo)強(qiáng)耦合理論,從而解決了BCS理論與實(shí)驗(yàn)不符的矛盾。科學(xué)家還曾經(jīng)試圖用BCS理論來預(yù)測(cè)超導(dǎo)溫度能否大幅度提高,不過大部分結(jié)論都是否定的。因而對(duì)新超導(dǎo)機(jī)制的設(shè)想不斷涌現(xiàn),對(duì)新體系的探索不斷展開,其中,有機(jī)超導(dǎo)體的探索更是成為討論的熱點(diǎn)。
到了1986年,米勒和貝德諾爾茨終于打破了尋找高溫超導(dǎo)體的僵局:他們不僅首次使物質(zhì)的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度超過30K達(dá)到了35K,而且成為大量發(fā)現(xiàn)高溫超導(dǎo)體的第一例,真正向世人展示了超導(dǎo)體廣泛應(yīng)用的美好前景。1987年,美國(guó)科學(xué)家保羅·楚發(fā)現(xiàn)了另一種起始轉(zhuǎn)變溫度在-179℃的陶瓷材料。隨后的發(fā)現(xiàn)便一發(fā)不可收拾,90K、110K、125K、135K……超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的紀(jì)錄不斷被刷新。此時(shí),BCS理論就較難用于解釋高溫超導(dǎo)電性了,人類對(duì)高溫超導(dǎo)的機(jī)制研究還有待發(fā)展。
由于絕大多數(shù)的有機(jī)化合物都是絕緣體,所以長(zhǎng)期以來,在人們的觀念中不會(huì)把超導(dǎo)性和有機(jī)固體聯(lián)系起來。事實(shí)上,自1972年第一個(gè)具有金屬電導(dǎo)性的有機(jī)晶體問世后,科學(xué)家又進(jìn)入了對(duì)有機(jī)導(dǎo)體的研究階段。在1979年,巴黎大學(xué)和哥本哈根大學(xué)的兩位科學(xué)家合作發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)有機(jī)超導(dǎo)體,轉(zhuǎn)變溫度為0.9K,它是電荷轉(zhuǎn)移鹽類的有機(jī)單晶。這個(gè)發(fā)現(xiàn)結(jié)束了人們關(guān)于有機(jī)超導(dǎo)體是否存在的疑慮,大大促進(jìn)了有機(jī)超導(dǎo)體研究工作的發(fā)展。到目前為止,科學(xué)家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了40多種電荷轉(zhuǎn)移鹽類的超導(dǎo)體,最高轉(zhuǎn)變溫度也已超過了30K。
高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn),為超導(dǎo)材料的廣泛應(yīng)用開辟了廣闊前景。科學(xué)家們相信,它在研制高性能電腦、聚變反應(yīng)堆、發(fā)電站及電動(dòng)機(jī)等領(lǐng)域?qū)?huì)產(chǎn)生巨大的效益。事實(shí)上,到20世紀(jì)末,采用超導(dǎo)技術(shù)建造的超導(dǎo)發(fā)電站已經(jīng)在安裝之中了。
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