高温超导的探索

自从发现超导电性以来，人们逐渐认识到超导技术有广泛应用的潜在价值，世界各国花了很大力气开展这方面的工作，但是超导转变温度太低，离不开昂贵的液氦设备。所以，从昂纳斯的时代起，人们就努力探索提高超导转变临界温度Tc的途径。为了寻找更适于应用的超导材料，几十年来，物理学家广泛搜查各种元素的低温特性。除了汞、锡和铅以外，又发现铟、铊和镓也有超导特性，这些材料都是金属，而且具有柔软易熔的共同性质。后来迈斯纳把试验扩展到坚硬难熔的金属元素，又发现了钽、铌、钛和钍等金属具有超导特性。
     当磁冷却法应用于低温后，在极低温区（1K以下）又找到了许多金属元素和合金有超导迹象。后来甚至知道上千种物质的超导特性，可是，它们的转变温度都在液氦温度附近或在1K以下。1941年，德国物理学家阿瑟曼（G.Ascherman）发现第一个被找到的超越液氦区的超导材料是氮化铌（NbN），其临界温度可达15K。1953年，美国物理学家哈迪（G.F.Hardy）和休姆（J.Hulm）开辟了另一条新路，他们找到了四种A−15结构或β钨结构的超导体，其中钒三硅（V3Si）的临界温度最高，达17.1K。A−15结构是一种结晶学符号，它代表的化学组成一般为A3B的形式，其中铌（Nb）、钒（V）等过渡元素为A组元，第Ⅲ或第Ⅳ主族的元素或其它过渡元素为B组元。
     贝尔实验室的马赛阿斯（B.T.Matthais）沿着这一线索坚持了长期的探索。他和他的同事围绕A−15结构进行了大量实验，总结出了一些经验规律，收集了大量数据，并于1954年找到了铌三锡（Nb3Sn），Tc为18.3K；1967年制备了组成非常复杂的合金Nb3.8（Al0.75·Ge0.25），Tc为20.5K；1973年进一步获得铌三锗（Nb3Ge）薄膜，Tc提高为23.2K。照这样的速度发展下去，人们大概可以指望将超导临界温度提高至30K附近的液氖区。令人遗憾的是，他们持续的努力没有取得进一步成果。1973年以后的13年，临界温度一直停滞不前。世界上还有许多物理学家研究其他类型的超导体，诸如有机超导体、低电子密度超导体、超晶体超导体、非晶态超导体等等，其中金属氧化物超导体吸引了许多人的注意。金属氧化物也是马赛阿斯研究的项目。
     1967年他和伦梅卡（J.P.Remeika）等人共同发现了RbxWO3的超导特性。随即休姆等人在1968年发现TiO的超导特性，不过Tc都在10K以下。1973年约翰斯通（D.C.Johnston）发现Li1+xTi2−xO4的Tc达13.7K。令人不解的是，金属氧化物一般都是非导体，可是某些组成都可以在低温下变成超导体，这个事实确是对现有的物理学理论的挑战。人们只有在经验的基础上摸索前进。正是这一条朦胧不清的道路引导了缪勒（K.A.Müller）和柏诺兹（J.G.Bednorz）对高Tc超导体的研究作出了突破性的进展。缪勒是国际商用机器公司（IBM）苏黎世研究实验室的研究员，物理部的负责人，他多年来一直在材料科学领域，特别是电介质方面进行卓有成效的研究。
     他对超导体也很熟悉，1978年就开始作过研究，课题是颗粒超导电性。纯铝的Tc是1.1K，如果铝的颗粒被氧化物层包围，颗粒系统的Tc可提高到2.8K。柏诺兹是西德年轻的物理学家，原在瑞士联邦工业大学当研究生，后来到IBM苏黎世研究实验室在缪勒指导下做博士论文，1982年获博士学位，留在IBM从事研究工作。从1983年起，缪勒和柏诺兹合作，探索金属氧化物中高Tc超导电性的可能性。从 BCS理论可以作出这样的推测：在含有强的电−声耦合作用的系统中，有可能找到高Tc超导材料。
     他们认为，氧化物符合这一条件。于是就选择了含有镍和铜的氧化物作为研究对象。在这方面他们进行了三年的研究，取得了很多经验。其实，这方面的工作早在70年代就已经有人在做。他们的突破在于从金属氧化物中找到钡镧铜氧的化合物——一种多成分混合的氧化物。1985年，几位法国科学家发表了一篇关于钡镧铜氧（Ba−La−Cu−O）材料的论文，介绍这种材料在300℃至—100℃的范围内具有金属导电性。正好这时缪勒和柏诺兹因实验遇到挫折需要停下来研究文献资料。有一天柏诺兹看到了这篇论文，很受启发，立即和缪勒一起对这种材料进行加工处理，终于在1986年1月27日取得了重要成果。
     1986年4月，柏诺兹和缪勒向德国的《物理学杂志》投寄题为《Ba−La−Cu−O系统中可能的高Tc超导电性》的文章，他们只是说可能有，一方面是因为尚未对抗磁性进行观测，另一方面也是出于谨慎。在此之前曾有过多次教训，有人宣布“发现”了高Tc超导体，后来都证明是某种假象所误。不久，日本东京大学的几位学者根据IBM的配方备制了类似的样品，证实Ba−La−CU−o化合物具有完全抗磁性。缪勒和柏诺兹随即也发表了他们的磁性实验结果，不过论文到1987年才问世。
     一场国际性的角逐在1987年初展开了，柏诺兹和缪勒的发现引起了全球性的“超导热”。1987年他们两人共获诺贝尔物理奖，在领奖演说中引用了一张图表，几十年来探索高Tc超导体的漫长历程和1986年1月到1987年2月间的突破性进展。