我们超导这些年 

文 / 小庄

即将迎来百年诞辰的超导材料，在这些年里扑朔迷离的经历，堪谱一曲“超导之谜”。继上世纪研究者们解决了低温超导的一系列难题之后，常温超导给当今的科学家们提出了更高挑战。

这个东西有点怪

1908年，荷兰人卡莫林·昂内斯做了件了不起的事情：通过施加高压的方法，液化了当时人类在实验室里唯一没能液化的气体——氦气，并在接下去的几年中陆陆续续做了很多研究工作，探寻物质在低温下的一些特性，他也因此获得了1913年的诺贝尔物理奖。

而真正让昂内斯被后世铭记的，却是他在1911年将近年末时对外宣布的一个发现。有一天，他和同事测量汞的低温电阻值，当温度降至4.2K处时，电阻表指针突然指向了零。一开始实验者以为数据有误，但之后反复检查验证，结果始终如一，于是他认定这是种先前不为人所知的现象，并将其命名为“超导”。更让人啧啧称奇的是，一旦在超导体中感应出了环状电流，电流就会无休止地绕圈圈绕下去，除非采取升温等手段来进行破坏，否则不会停下。不过，昂内斯当时还仅仅把这个现象作为特殊案例来处理，他的诺贝尔演讲中，只在最后部分提到希望继续关注这种超导性引发的各种问题。

很快，就有其他科学家被他描述的有趣现象所吸引加入到研究队伍中，并找到另外一些也会在接近绝对零度时失去电阻的单质，比如那些常温下具有良好导电性的纯金属，如铝、锌、镓、鎘、锡、铟，它们有各自特定的转变温度，低于某一温度时就会突然变成超导体，也有一些金属还必须施加高压或者延展成薄膜才会转变。与此同时，科学家们发现，那些较稳定的金属，如金、银、铜等，以及具有磁性的铁，即便降至极低的温度也不会出现超导性。

无论如何，作为新兴事物的超导现象实在拥有无穷魅力，加上本世纪初物理学蓬勃发展，大小物理学家都对这个好玩的东东纷纷产生了兴致，不少人更是爱不释手。1933年，德国人弗里茨·迈斯纳和罗伯特·奥森菲尔德二人的运气不错，发现了一个名为“迈斯纳效应”的现象，一举被载入史册。

迈斯纳效应指的是进入超导状态的物体表现出来的一种完全抗磁性：在锡盘上放一小块永久磁铁，对盘体持续降温，当降至锡的转变温度时，小磁铁会突然“拔地而起”，升至一定高度便悬浮不动了。他们解释说，这是因为超导体将磁铁所产生的磁感线排挡在外，对之形成了一个抵抗重力的斥力所致。而且，不论对导体是先降温后加磁场，还是先加磁场后降温，一旦出现超导状态，磁感线就会统统遭到排斥，不得不绕道而行。

把锡盘换作其他能够出现超导状态的金属，结果也是如此。后来，零电阻和完全抗磁，被认为是鉴定超导体所必须的两个特性。

以上发现可谓一石激起千层浪，因为它对理论家提出了相当大的挑战。在此之前，人们都认为超导体只是一种理想导体，然而迈斯纳效应却揭示出超导体和理想导体有着大为不同的电磁表现，则在原理上将作何解释？

理论呀理论，呼之欲出

20世纪30年代，另外两位优秀的德国物理学家——弗里茨·伦敦和海因茨·伦敦兄弟——因为犹太人的出身而受到纳粹排挤，被迫逃到英国，在牛津大学开始了低温超导方面的研究工作。在1935年左右，他们又有了非同一般的发现：一般导体需要变化的磁场维持感生电流，而超导体中的部分电子运动不受任何阻力，感生电流不需要磁场来维持。兄弟二人在此基础上建立起超导体的电动力学方程，解释了超导体一系列奇特的电磁性质，这组方程被后世称为伦敦方程。1950年前后，俄国人维塔利·金兹堡和列维·朗道也提出了一组用他们姓氏命名的方程，用来解释正常态向超导态的过渡是怎样一个有序过程。但说到底，以上工作都还只是在经典物理学的框架下诠释其宏观状态。而其实早在1935年，弗里茨·伦敦就曾于一次会议上指出，超导现象是一种宏观尺度上的量子现象，“量子”二字意味着超导现象需要深入到微观尺度上去一探究竟，这句话的含义被人真正认识到的那一刻，超导科学的面貌方才为之一新。

超导现象之所以如此迷人，就在于它无论就应用而言，还是就理论而言，都堪称一座最值得去夺取的圣杯，超导理论的进展会对整个物理学领域的未来发展产生不可估量的影响。但它的神秘难解确也让一位又一位物理学家望而却步——1952年因核磁共振获得诺贝尔物理奖的菲利克斯·布洛赫在20世纪30年代就曾投身此间，最后竟发出“关于超导性的任何理论都可以被证明为误”的喟叹，足见其多么让人颠倒错乱！在这场前赴后继的攻坚战中，约翰·巴丁的出场不能不说耐人寻味，这位出生于美国威斯康星州一个知识分子家庭的天才型人物，是迄今唯一 一位两次获得诺贝尔物理奖的科学家——分别在1956年和1972年，前一次是因为二极管，后一次就是因为超导。

当时，在伊利诺斯大学任教的巴丁很早就注意到了其他科学家对超导现象的研究工作，但他一直没有找到合适的契机加入。直至1950年，伊曼纽·麦斯威尔和C·A·雷诺兹分别独立发现了一种同位素效应——水银同位素转变成超导体的临界温度和原子量的平方根成反比。巴丁听到这个消息后，立刻敏锐地意识到这是一个突破口，他非常赞同同时期另一位理论物理学家赫伯特·弗洛里奇提出的解释：超导性可能和电子与晶格振动间的交互作用有关。接下去需要做的是找到助手把这个理论搭建完善，因此他将年轻的莱恩·库珀和罗伯特·施里弗招至麾下开始干活，其中，刚刚从哥伦比亚大学毕业的库珀还是由杨振宁推荐过来的。

三人组合恰到好处，并且从同时代最杰出的物理学成就中取得了各种利器：巴丁以其对凝聚态物理学的深刻理解来出策划；库珀的理论思想很强大，借着泡利的启发提出一个了不起的“库珀对”概念；而施里弗动手能力强，从李政道的一次演讲中得来的灵感促成他解决了其中的波函数问题。1957年，他们朝《物理评论》期刊扔了一颗重磅炸弹：BCS理论。在它横空出世之际，零电阻效应、迈斯纳效应和同位素效应都迎刃而解！

显而易见，该理论是以他们仨的姓氏首字母联合命名的，它成功地解释了（第一类低温）超导现象的微观机理。该理论奇妙之处在于它打破了电子之间只能互相排斥的传统印象，又提出晶格振动使得自旋方向相反的两个电子形成“库珀对”，它们之间的动量可以互相抵消。根据量子力学理论，物质波的波长和动量呈反比，这就意味着“库珀对”的波长十分长，完全能绕过晶格缺陷无阻碍地流动——就好比一对在杂乱舞池中互相提携的舞伴，通过灵巧的配合在人群中行云流水般穿梭而过。

曾经难倒一大片天才物理学家的超导问题迎刃而解，一时间让众“家”纷纷发出“情何以堪”的感慨。大名鼎鼎的理查德·费曼就承认说，他得知BCS论文后好长一段时间都没法静心研读，因为此前耗费了太多时间精力去解释超导现象均未果，乃至于产生了情绪上的障碍。

超导研究孕育了许多诺贝尔奖得主，继巴丁师徒几个拿下1972年的物理奖之后，次年的奖项获得者中又有发现超导体隧穿效应的布莱恩·约瑟夫森的名字；而和朗道合作的维塔利·金兹堡则在2003年因“超导体和超流体理论上的开创性贡献”获得这一早该属于他的殊荣。其他与超导有着千丝万缕联系的诺贝尔物理奖则比比皆是，比如2008年的南部阳一郎便因为将超导中的对称性破缺思想引入粒子物理而被授予该奖项。

【插播八卦一则：罗伯特·施里弗2005年11月6日被判刑两年入狱，这是史上第一位因非政治性因素而身陷囹圄的诺贝尔奖得主，入狱原因据说是其于2004年9月24日在驾驶当中睡着了而酿成车祸，造成一死七伤。】

欢迎来到高温时代

自1911年发现第一个超导体水银以来，科学家就希望找到在更高温度下具有超导性能的材料，因为只有几K的临界温度实在很不经济。但这个寻找的过程比理论搭建的过程还要让人沮丧：整整62年过去了，1973年出现的合金超导体锗三铌的转变温度才不过23.2K，每年提升幅度差不多只有0.3K！据说，美国贝尔实验室有人计算过由BCS推导出的金属超导临界温度上限值为30K，这意味着走金属材料路线是没有前途的。

也有人试过去有机材料中碰运气，1980年合成出了临界温度在1K左右的某种物质，此后数年好一番折腾也只提高了不到10K。真是太没劲了！就在大家都垂头丧气、沮丧得不得了的当儿，德国人约翰内斯·贝诺茨和瑞士人卡尔·穆勒好似天使降临，他们在1986年1月向世人宣称一种陶瓷性材料（镧钡铜氧化物）具有35K的临界温度，尽管这个好消息被埋没了长达数月后才经由一系列其他科学家的工作而确认，但这实在是太让人振奋了，以至于瑞典皇家科学院迫不及待地将次年的物理奖奖章挂到了两人的脖子上。

仿佛就从那一刻起，国际应用物理界就迈入了一个超导升温时段，攀升的速度简直令人咂舌，而且也成了华人科学家才艺大比拼的舞台：美国华裔物理学家朱经武、台湾物理学家吴茂昆以及中国科学院的赵忠贤在短短一年时间内，相继把钇钡铜氧系材料的超导临界温度提高到了100K以上。

高温超导体被称为第二类超导体，和第一类低温超导体相比，它们的迈斯纳效应不完全，同位素效应很弱甚至全无，也无法用经典的BCS理论来进行解释，因为高温下“库珀对”会遭到破坏，虽然有人猜测电子对还将以某种方式存在，但关于这一点迄今没有发现有说服力的证据。

铜氧化物掀起的这一轮高潮持续了几年后渐归平静，1993年获得的138K临界温度也似乎成了一个难以突破的瓶颈，但它所带来的成就却是在实际应用当中提供了很多便利和可能，在电力工程、数字电路、生物医疗、高能加速器和核聚变装置上都显示出了强大的威力，我们已经熟知的核磁共振断层扫描仪和大型强子对撞机中都少不得超导材料的身影。在日本和美国，第一代超导线材已达到商业化水平，一些国家正在加紧研发高性能的超导电缆、超导变压器、超导限流器和超导蓄电装置。

2006年左右，日本东京工业大学的细野秀雄团队在研究新型透明半导体时，偶然发现一种镧氧铁磷化合物具有超导性，这让他们感到异常之惊喜，因为又一次打破了先前的结论。铁具有很强的磁性，一直被认为和超导性格格不入（早期关于第一类超导体的研究已证实单纯的金属铁无法拥有超导性，其不具有迈斯纳效应，无法对外加磁通量加以排斥），但为何这种化合态下的铁原子，其磁性却不会影响超导性？此外，还有一点令人期待：铜氧化物材料很脆，制成可用的电缆需要极其复杂的工艺，而铁化合物就要好处理得多，铁矿储量丰富，价钱也相对便宜。

细野团队接下来就像烹饪时加佐料一样对这种材料不断加加减减，以氟原子替换部分氧原子，或者以磷替换砷。2008年2月，他们发表论文称，含砷材料具有26K的临界温度；很快，3月份，中国科大一个研究团队便如法炮制将类似化合物的转变温度提高到40K以上，一个月后又提高到56K，如此便已经达到了应用水准。不过，这种新材料具有两个缺点：一是砷元素毒性较大，二是材料结构复杂。有台湾团队提出以铁硒化合物取代之，据说也已经获得了30多K的转变温度。 

眼看第二轮的超导升温热正处于将起未起之时，相信世界各地摩拳擦掌的科学家也已经大有人在，这真是不可避免的一场厮杀。维塔利·金兹堡曾说过：就对社会产生的冲击而言，高温（最终将达到室温的）超导可能是除了受控核聚变以外，物理学中最重要的问题。这句话充分说明了这一领域的研究在当代科学中不容争议的地位。

由于BCS理论在高温超导上面临的重重困境，实干派们忙得不亦乐乎之际，理论家们也没法安心睡大觉，要么修正，要么用新理论取而代之。和昂内斯来自于同一所大学——荷兰莱顿大学的物理学家扬·扎宁最近指出，借助弦论可以描述“高温”超导体处于向超导状态过渡的临界温度时内部电子的关联状况，听上去很是拉风，因为阳春白雪的弦论这些年来打破头也没从现实世界找到什么可应用的途径，没准儿还真能在超导身上实现零的突破。另一方面，倘若扎宁真能拿出一套漂亮的理论阐释，倒不失为时隔一个世纪后对当年老校友的由衷致敬。

【责任编辑：杨枫】