超导体

　

自然界的物质就导电性而言，除了导体、半导体、绝缘体之外，科学家们又发现了一种有异常导电能力的物体，称之为超导体。

1908年荷兰物理学家昂尼斯成功地制备了液态氦，获得了4K的低温。3年后，他将水银冷却到零下40℃（233K），水银便凝成一条线，继续冷却到零下269℃（4.2K）附近，在水银线上通上几mA的电流，并测量它两端的电压，这时他发现，水银的电阻突然消失了（见图）

这种奇异的现象，引起了人们极大的重视。于是把这种电阻突然消失的零电阻现象叫做超导现象，具有超导性的物质叫超导体。电阻突然消失的温度称为转变温度或临界温度，用Tc表示。

然而，在当时的实验条件下，用仪表直接测量的精度难以使人置信。于是人们设计了一个更精密的实验。将一个超导体做成的圆环置于磁场中，然后降温到转变温度Tc，再将磁场突然撤掉。由于电磁感应作用，在超导圆环内会产生一个感应电流。如果这个圆环的电阻确实为零，这个电流就应当没有任何损耗地一直维持下去，这就是著名的持续电流实验。事实上，经过长时间的观察，确实如此，因此零电阻现象被正式肯定。

超导体另有一个异常的特性，就是它的完全抗磁性，在一个浅平的锡盘上，放置一个体积很小但磁性极强的永久磁铁。然后将温度降至锡的Tc。这时可以看到小磁铁竟离开锡盘表面，飘然浮起，与锡盘保持一定距离后便悬空不动了。这就是由于超导体的抗磁性，使小磁铁的磁力线无法穿透超导体，磁场发生畸变，便产生了一个向上的浮力。

现已知道元素周期表上已有26种金属具有超导性，它们的Tc值列于表1中。这些金属的Tc均在10K以下，难以有实用的价值。于是科学家们把注意力转向开发合金或金属化合物的研究之中。表2为一些化合物的Tc值。

在将近20年的时间里，寻找高温超导体的研究工作没有多大进展。直到1986年瑞士的贝德诺兹和缪勒发现La-Ba-Cu-O混合氧化物具有超导性，Tc为35K。这才为超导体的研究作出了一个新的突破。他俩也因此获得了1987年的诺贝尔物理奖。以后，日本东京大学宣布获得Tc为37.5K的超导物质。接着美籍华人朱经武又把Tc提高到了40.2K。我国中科院赵忠贤则获得48.6K的超导体。因此1986年是超导年，使金属氧化物的超导研究有了飞跃的发展。

继La－Ba－Cu-O之后，人们又广泛地尝试了其他混合体系。1987年赵忠贤与朱经武分别独立地发现钇钡铜氧化物体系（Y-Ba-Cu-O）的Tc更高为90K，这又是一次较大突破，因为这个温度高于液氮温度（77K）。以后铊钡钙铜（Ti-Ba-Ca-Cu-O）和铋锶钙铜（Bi-Sr-Ca-Cu-O）也被证实具有超导性且Tc高达120K。

在这些混合氧化物中，似乎铜是不可缺少的。于是科学家们对Y-Ba-Cu-O体系进行了深入的研究，发现这种混合物中含有1个Y，2个Ba和3个铜，所以又称它为1-2-3化合物。由于Y-Ba-Cu-O是非化学计量化合物，氧原子不足必然形成结构上的缺陷。或许正是这种缺陷造就了超导性。在取代元素的大量研究之后发现，体系中的Y，Ba及Cu均可用其他金属代替。其中Cu虽可被取代，但也必须是变价的金属如 Mn，Fe，Co，Ni等。

超导的机制以及混合氧化物为什么具有较高Tc的奥秘正在探索之中，可以相信随着科技水平的发展，在总结目前规律性的基础上一定可以彻底弄清超导的秘密，也可使转变温度提高到实用的高温。一旦实用化和工业化之后，超导体将会引起极大的变革。目前所知它们可以在制造大容量超导发电机，输送电流，实现磁力悬浮高速列车，以及控制核聚变等领域有极大的用途。