理论教育 超导温度突破,物理世界新发现

超导温度突破,物理世界新发现

时间:2023-11-05 理论教育 版权反馈
【摘要】:经过75年的研究,超导现象仍然只能在极低的温度下实现。如果实现超导的温度能提高到这个程度,那么制造冷的液化气体就可以把氦换成氮。多年来,实现超导的温度1℃也没有提高过,而这两位瑞士科学家却一下子提高了7℃。首先,人们还说不清高温超导的机理,用我们中学生的语言来说就是还不知道为什么会出现高温超导这一奇异的现象。在超导材料中,为什么有的临界温度高,有的临界温度低……

超导温度突破,物理世界新发现

超导的故事,开头部分十分精彩,开阔了人类的眼界,看到了一个神奇的世界。故事说,在-269℃的时候,水银的电阻突然消失了,这叫超导。

这是违反常识的现象,电流通过导体,总会遇到阻力,阻力大的时候,导体会发热,这就是电炉中的电热丝。白炽灯泡里的钨丝电阻更大,热得发出了白光。

可是,从1911年开始,科学家昂内斯却说,他发现了超导现象,电会在导体内不停地流动,不停止,也不损耗。

于是,超导的故事开始了。随后,故事不断卡壳,遇到了一连串“不知道”,故事讲不下去。第一个“不知道”是:为什么会出现超导现象?

这需要科学家从理论上加以说明。理论是行动的指南,有理论才能明确方向,有好几位科学家做过探索,有些进展。到了1950年,有位名叫巴丁的科学家被超导研究吸引了过来。巴丁,就是发明了晶体管的那位巴丁,是诺贝尔奖获得者。他与两位青年科学家联手,共同创造了一个理论叫BCS理论,BCS分别是他们三人姓氏的第一个字母

有了BCS理论,解除了人们对超导的各种疑团,了解了超导的秘密。这时,超导的故事进入了诱人的阶段,想到了将来有一天,利用超导的原理,可以把三峡的电毫无损失地送到上海香港火车悬浮在铁轨上毫不费力地达每小时五六百千米的速度……

美好的故事又卡了壳。经过75年的研究,超导现象仍然只能在极低的温度下实现。从最初的-269℃,只提高到-250℃。那么低的温度,只能利用液氦来实现。而空气中的氦十分稀少,把氦收集起来制造成液氦,设备非常复杂,制造费用很贵,贵得叫人用不起。

于是,人们开始寻找新的超导材料,希望能在-196℃以上的温度里实现超导。如果实现超导的温度能提高到这个程度,那么制造冷的液化气体就可以把氦换成氮。空气中的氮很多,来源十分丰富,制造液氮的费用也低,比较实用。

BCS理论没有能提供帮助,还有人说要在液氮环境下实现超导是不可能的。超导现象暂时停留在实验室里,诱人的应用前景仍然是幻想。

新的超导材料应该是什么东西?这仍然是个不知道的问题,科学家靠自己的经验去寻找新材料,经验也不是可靠的经验,有不少盲目性。探索中出了两位人物:瑞士的柏诺兹和缪勒,他们于1986年初宣布,一种陶瓷性的金属氧化物在-243℃会出现超导。

这真是富有戏剧性的变化。多年来,实现超导的温度1℃也没有提高过,而这两位瑞士科学家却一下子提高了7℃。这一消息,给物理学家打了一针兴奋剂,重新掀起了研究超导的热潮。大家心里明白了一些,知道了应该去寻找什么材料,那就是沿着瑞士人打开的路走下去。

超导的故事开始热闹了起来。各国的实验室、夜以继日地工作,像赛跑似的加紧研究。首先取得成果的人是美籍华裔科学家朱经武,他宣布,金属氧化物确实是一种新的超导材料,他在-233℃的时候实现了超导。这个温度,比瑞士人的记录又提高了10℃。

过了两个月,1987年2月15日,朱经武的研究又把实现超导的温度提高到-175℃。这个消息是由美国国家基金会宣布的,至于是采用了什么材料,不说,有意不让人知道,这也是一个“不知道”。(www.daowen.com)

事隔9天,中国科学院召集中外记者开了个新闻发布会,宣布物理研究所的赵忠贤、陈立泉等十几位中国科学家找到了新的超导材料,实现超导的温度在-173℃以上,材料成分是钡、钇、铜、氧。

在此以后,新的纪录不断传来,-169℃,-148℃,实现超导的温度在不断上升。于是出现了“高温超导”这个名词。-169℃比-269℃高出100℃,当然是高温了。

这是一次腾飞,一次重大科学成就。超导的故事已比较完满了,是不是应该转过头来,去研究一下怎么应用,用超导现象来搞发明,设计新产品?

然而,超导的故事还有一串“不知道”。

首先,人们还说不清高温超导的机理,用我们中学生的语言来说就是还不知道为什么会出现高温超导这一奇异的现象。说不清道理,实际应用就很难再向前发展。

目前,比较有影响的解释是苏联科学家博古留博夫的超导理论。这个理论认为,在低温条件下,一些金属和化合物的原子被“冻僵”了。因此通电时,自由电子便会畅通无阻,不会像原来那样处处受到碰撞和阻碍,为此便产生了超导现象。不过,这种理论也没有得到很好的验证。有些疑问,始终萦绕着科学家们:既然原子能被“冻僵”,那么为什么有的物体有超导现象,而有的物体则没有?在超导材料中,为什么有的临界温度高,有的临界温度低……

再一个问题是:实现超导的温度还能不能再提高?能不能提高到0℃度以上,提高到20℃,也就是室温?

还有,现在在实验室里实现的超导,电流密度很小,达不到实用所需要的水平,以后能不能达到?

超导材料的品种能不能更多一些,有机物、生物体能不能超导?

这都是“不知道”。

正因为有一连串“不知道”,才会吸引人们去研究、去探索。

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