超導研究的溫度變遷

超導研究的溫度變遷

2007-05-28 14:22 作者：吳戈 2007年第18期

今年3月在丹佛舉行的美國物理學會會議追憶起20年前的3月18日。那個夜晚，紐約曼哈頓希爾頓酒店只有1100座的大廳內外擠了3000多人，連走廊上的閉路電視也被團團圍住。

今年3月在丹佛舉行的美國物理學會會議追憶起20年前的3月18日。那個夜晚，紐約曼哈頓希爾頓酒店只有1100座的大廳內外擠了3000多人，連走廊上的閉路電視也被團團圍住。

這是會議臨時增加的內容。儘管主辦方限定每人發言5分鐘，核心報告也只給10分鐘，但51個即席報告仍從晚上19:30一直講到凌晨3:15。

當晚的焦點正是超導。那種在特定溫度下電阻突然消失的現象曾被美國《商業周刊》稱為「比電燈泡和電晶體還重要」。從1986年開始，這一領域突然柳暗花明。「在很多人心中產生了一種一切皆有可能的感覺。」率先取得突破的物理學家約翰內斯·貝德諾茲說。

1987年3月的會議後來被稱為「物理學的伍德斯託克音樂節」，「就像在烹飪大賽上一樣，人們見人就問『你用了什麼秘制配料』」。

突如其來的競賽

超導現象一開始就不是理論的產物，它源於19世紀末20世紀初對低溫世界的好奇。發現這一現象的荷蘭物理學家卡末林·昂內斯是從氫和氦的液化開始。荷蘭物理學家卡西米爾曾評論說:「一旦昂內斯給了他們液氦，告訴他們測量金屬的電阻，他們就不可能不發現超導電性。」1911年，昂內斯的學生霍爾斯特首先觀察到起始轉變溫度4.2K（開氏溫度，減去273即為攝氏度）的超導現象，1913年昂內斯因低溫研究獲諾貝爾物理學獎。

然而，從4.2K到15K用了30年，到23Ｋ又是一個30年，而這個紀錄一停頓就是13年。

復興始於國際商用機器公司(IBM)蘇黎世研究實驗室的瑞士科學家卡爾·亞歷山大·繆勒。他1963年進入該實驗室，直到1978年才接觸超導，又過了5年，才和年輕同事貝德諾茲一起，用業餘時間研究氧化物超導體。

1986年1月，他們在鑭鋇銅氧材料中觀察到30Ｋ左右的起始轉變溫度。為保險起見，繆勒對這個難以置信的結果反覆實驗，直到4月中旬才向德國一家小雜誌《物理學》送交了論文，題目中謹慎地使用了「可能」的字眼。文章直到9月17日才正式發表。直到進一步的磁測量支持了原來結論，他們才將第二篇論文寄到《歐洲物理快報》，此時已是10月22日，發表則是1987年初。

由於歷史上多次有人宣稱發現高溫超導體卻無法得到證實，加上自己和雜誌的知名度都不高，貝德諾茲和繆勒估計，同行要證實和接受他們的工作，可能至少要兩三年。

然而，在中國、日本和美國，都有科學家分別注意到這個方向。

1986年9月，日本電子技術實驗室的科學家獲得消息，立即重複實驗，但沒有成功。9月底，後來的中國超導研究領軍人物、當時還是中科院物理所助理研究員的趙忠賢也在所內圖書館的資料中讀到了剛發表的文章。「我認為繆勒的想法是有道理的，儘管對於真正的機制至今也不清楚。」趙忠賢回憶。此前，他剛在美國進行過一年的超導合作研究。就在當年4月，「所裡的李蔭遠老先生把《美國應用物理》雜誌中關於氧化物超導研究的文章給我看，我還沒有相信」。10月中旬，趙忠賢就聯絡幾位同事開始了實驗。

10月4日，在日本的一次超導材料會議上，東京大學教授北澤宏一也獲悉了貝德諾茲和繆勒的文章，但沒有相信。11月初，他的助理高木英典建議將重複這項實驗作為本科生畢業論文的課題，北澤甚至不得不重新查找論文出處。出人意料的是，11月6日開始實驗後僅7天，高木英典就打來電話，本科生金澤尚一成功地用磁測量證實了實驗結果。東京大學的研究於是迅速全面展開。

這是國際上首次獨立證實貝德諾茲和繆勒的成果。11月19日，研究小組負責人田中昭二在日本一次會議上的簡要通報，迅速點燃了日本的研究熱潮。11月22日，他們的首篇論文寄到《日本應用物理》雜誌，6天後消息出現在《朝日新聞》上。12月23日，東京大學工業化學系的一個新材料研究小組還提出了世界上第一份高溫超導材料專利申請。

美國最早反應的是休斯敦大學教授朱經武。他首次讀到貝德諾茲和繆勒的論文已是東京大學開始實驗的11月6日，但他的行動更果斷——立即要求手下的研究人員停下一切工作，兩三天內就開始實驗。至於相信的理由，朱經武在1997年回憶:「我們一直在做鋇鉛鉍氧化物，一直覺得在氧化物裡搞超導很有希望，所以一看到他們的文章就絕對相信，雖然當時那些報導的結果量還不是那麼詳細。」

11月下旬，朱經武的小組得到了肯定結果。11月25日，他們甚至在鑭鋇銅氧中觀察到73Ｋ的超導轉變，雖然這個結果第二天就無法再現，但無疑增強了他們的信心。

12月初，北澤宏一和朱經武都參加了在波士頓召開的美國材料研究學會秋季年會。由於《朝日新聞》的報導，剛抵達波士頓的北澤便引起關注，但因為尚未確定新超導體確切成分，田中昭二反對在會上介紹這一成果。12月4日，北澤宏一的報告只按原計劃講了鋇鉛鉍氧化物超導體的研究。

當朱經武在報告的最後，簡要提及證實了貝德諾茲和繆勒的結果時，場面熱鬧起來。北澤宏一終於忍不住在討論時上前公布了他們自10月以來獲得的更充分的證據，但對次日專門做報告的要求，他仍未得到國內答覆。直到報告前最後一刻，日本才最終確定了新超導體的成分，並決定在會上公開。

12月12日，朱經武向權威的《物理評論快報》寄出了論文。14日，剛應邀參加研究的朱經武原來的學生，阿拉巴馬大學的吳茂昆又發現了39Ｋ的超導轉變。到12月的第三周，朱經武小組已經將起始轉變溫度提高到了52.5Ｋ，並再次觀察到70Ｋ超導的跡象，最新結果於12月30日寄給了《科學》雜誌。

同時，貝爾實驗室的R.J.卡瓦等人也發現了36Ｋ的超導轉變，29日將論文寄到《物理評論快報》。因為被要求修改等拖延，朱經武等人的論文直到1月才與卡瓦等人的論文一起發表在同一期上，但這也使他們有機會在1月6日添加的附註中，提到了70Ｋ超導跡象和吳茂昆小組對另一種氧化物超導電性的發現。12月30日，朱經武在休斯敦召開新聞發布會，簡要提到了70Ｋ超導跡象，次日就上了《紐約時報》。

此前的12月20日左右，趙忠賢等人也在鍶鑭銅氧中得到起始溫度48.6Ｋ的超導轉變，並在鑭鋇銅氧中觀察到70Ｋ超導跡象。只是後者也未能重複，這使他們並未馬上寫文章或做結構分析，而是全力試圖重複這一現象。他們的研究論文送到中科院的《科學通報》已是1987年1月17日。不過，1986年12月27日，《人民日報》報導了我國發現70Ｋ超導體的消息。

大眾媒介的作用

超導技術實用價值的第一個標誌是找到在液氮溫區（77K）也具有超導電性的材料，因為氮豐富而且便宜，70K的初步發現無疑使競爭趨於白熱化，物理學家們常常三四十個小時不休息。

1月13日，朱經武小組一天前在原有的鑭鋇銅氧樣品上觀察到的高溫超導又消失得無影無蹤。雖然昨天他還正式提交了一份關於多種氧化物（包括釔鋇銅氧）在內的超導專利申請，但替換元素已不可避免。17日，吳茂昆的研究生J.阿斯伯恩在一份家庭作業的背面草草做了計算，預言釔鋇銅氧將是最佳選擇。29日下午，這種材料居然達到了90K左右的起始轉變溫度，首次突破液氮溫區！

次日，吳茂昆就和阿斯伯恩帶著樣品飛抵休斯敦，用更精密的設備重複檢驗這一結果。2月5日，朱經武將兩篇論文寄往《物理評論快報》，16日在休斯敦舉行的新聞發布會上宣布了發現。在2月初的《時代》周刊的照片上，朱經武手持一小塊90Ｋ的綠色薄片，誘惑著同行的神經。但在新聞發布會上朱經武表示:新超導體成分的細節要到3月2日《物理評論快報》的文章正式發表才能公開。

出人意料的是，當地《休斯敦紀事報》的記者從休斯敦大學理學院院長R.溫斯坦口中掏出了成分細節，只是幾乎沒有什麼物理學家注意到這份地方報紙的報導。

中國方面的精力一度集中於重複70Ｋ的超導跡象，儘管有人提出摻雜和替換元素的設想，但由於條件不佳，燒樣品的爐子不夠，低溫測量也有困難，未能立即著手。大約在1987年1月底，趙忠賢等人開始懷疑雜質問題——用較純原料做出的樣品，轉變溫度全在30Ｋ左右，而有70Ｋ跡象的樣品所用的原料竟是倉庫中1956年公私合營工廠生產的，雜質較多。當組裡有人從《美國之音》聽到朱經武發現90Ｋ超導體的消息時，他們反而放心了，這證明他們的工作是有道理的。

2月19日，趙忠賢小組在釔鋇銅氧中發現了起始溫度高於100Ｋ的超導轉變。這一次，他們第二天就迅速寫成論文寄出，21日就到了《科學通報》，但專利申請卻因國外已申請在先沒有成功。

中國科學家此時的另一項明智決定，是2月24日召開新聞發布會，正式公布了成果和新超導體的成分。次日就出現在《人民日報》頭版的消息，無疑比《休斯敦紀事報》的影響大得多。也是在25日，美國東海岸的許多實驗室提前看到了原定3月2日出版、刊有朱經武等人論文的《物理評論快報》。26日下午，朱經武在西海岸的加州大學聖巴巴拉分校也宣布了新超導體的成分。

一系列成果公布使全球對超導研究趨之若鶩的科學家茅塞頓開。聽到《人民日報》的消息，美國貝爾通訊實驗室的化學家J.M.特拉斯康猛然想起，自己早在1月3日就做好了５塊釔鋇銅氧樣品，卻沒有進行超導測試。幾小時後，他就發現其中竟有兩塊是超導的！論文趕在2月27日送往《物理評論快報》編輯部，雖然信差趕到時已過17點的下班時間，還是設法吸引了一位遲走的工作人員注意，在論文上蓋上了2月27日收到的印章。

2月18日到19日，在日本伊東市舉行的一次會議上，也有人宣布東京大學的水上忍領導的小組發現了一種臨界溫度高達80Ｋ的新超導體，但也未公布成分。2月23日寄到《日本應用物理》雜誌的論文直到4月才發表。

實際上，當時的氧化物超導體非常捉弄人，有時一塊樣品只有1%的部分是超導的。掌握成分並不等於掌握準確比例，趙忠賢小組為此用了大約3個月，弄清準確的氧含量的時間就更長了，對所有研究者都是這樣。

清華大學科技與社會研究所的劉兵教授曾專門研究超導史，他這樣評價這場競賽:「不僅在意識上有對諾貝爾獎之類榮譽的競爭，更有潛在的巨大商業價值的誘惑，競爭名次和優先權的時間標度甚至以小時計，而且已不像通常那樣按論文發表的日期先後，各種大眾媒介也成了重要的傳播手段。」

結果，1987年度諾貝爾物理獎授予了繆勒和貝德諾茲，獲獎理由為「發現新的超導材料」。對此，一種解釋是其他人的發現均在1987年1月31日提名截止後才宣布。無論如何，這也免除了眾多可能的爭議。多年後趙忠賢談到:「如果當時國際交流的經驗和實驗條件能夠更好的話，我想我們能夠做得更好。」

喧囂與寂寞

《自然》雜誌認為:超導是一個高風險的基礎科學如何進展的絕妙例子。1986年到1987年短短一年多，超導起始轉變溫度提高到了100K以上。美國政府專門成立一個委員會支持應用，包括軍方在內的資金源源而來，按捺不住的麻省理工學院教授格裡高利·尤裡克和3個同事還創辦了美國超導體公司。

然而數年後，隨著新超導體的局限逐漸暴露，《紐約時報》的標題失去了耐心:「超導的希望開始暗淡——沒有一種新超導材料能承載大電流，它們遇到大磁場，都不再超導。」從1994年開始，最高紀錄就在164K停滯不前，距離室溫還有接近一半的路程。格蘭特指出:迄今沒有一個公司靠出售高溫超導產品贏利。更重要的是，高溫超導的機理一直沒有滿意的解釋。

劉兵這樣看80年代的超導熱:「這個突破並不基於很深的理論理解，掌握大致的技巧後，一段時間內也不要求過高的實驗條件。中國遇到很快與國際先進水平接軌的項目不容易，加上應用前景和諾貝爾獎，普遍關注很自然，但政府倒並未刻意加劇諾貝爾獎的期盼。過於樂觀的期待未必來自專業人士，對他們來說，基礎向應用的轉化難度未必比實驗室突破更容易。值得反思的是，有突破才會得到加大支持，加大支持後是否一定能繼續突破？」

目前，超導材料已經應用在可控核聚變裝置、醫用核磁共振儀和移動通訊地面站的濾波器等領域，超導電機、超導探礦設備、超導心/腦磁圖都有了樣機。從2001年至今，穩定的新型高溫超導材料二硼化鎂、可成為超導體的塑料和接近超導電性的碳納米管在日本和美國被陸續發現，我國的載人高溫超導磁懸浮試驗車、340米鉍系高溫超導線和納米超導線也相繼問世。中科院物理所超導國家重點實驗室主任聞海虎透露:「現在物理所近30%的人直接或間接涉及超導方面的研究。」中國科學家的目標是:20年內形成我國的超導高技術產業。在今年的回顧會議上，朱經武也表示:「現在，理論上和實驗上都沒有證據表明室溫超導不可能。」他預測，10年內高溫超導產品就可能影響能源工業。貝德諾茲認為:1986年到1987年的經驗表明，一個寂寞的研究領域完全可能出現飛躍。只要有新的發現，這一領域就能再次活躍，不管是通過偶然的運氣還是別的。■
（感謝清華大學劉兵教授對本文的大力幫助）

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