超导电性研究的历史与突破

超导电性研究的历史与突破

超导电性是20世纪最重大的科学发现之一，它不仅挑战了传统的物理学理论，还为未来的科技发展开辟了新的道路。从1911年卡麦林-昂纳斯首次发现水银在4.2K时电阻消失，到1986年柏诺兹和缪勒发现高温超导体，超导研究经历了近一个世纪的曲折历程。本文将带你回顾超导电性研究的重要里程碑，了解这一神奇现象背后的科学故事。

迈斯纳效应的发现和伦敦方程的提出

1911年，卡麦林-昂纳斯首次发现水银在4.2K时电阻突然消失的超导电现象。这一发现引发了物理学家对超导电性本质的长期探索。1933年，迈斯纳通过实验发现超导体内部的磁场保持不变且实际上为零，这一现象被称为迈斯纳效应，表明超导体具有完全的抗磁性。这一发现使人们认识到超导态是一个真正的热力学态，完全导电性和完全抗磁性是超导体的两个基本特性。

图 10 – 13 迈斯纳效应的磁通分布

1934年，戈特和卡西米尔提出了二流体模型，认为金属内部有两种流体：正常流体和超导流体。1935年，伦敦兄弟提出了描述超导体的宏观电动力学方程——伦敦方程，可以解释超导体的完全抗磁性。

BCS理论的提出

第二次世界大战结束后，超导研究取得重要进展。1950年，弗留里希提出电子-晶格振动相互作用导致电子相互吸引是超导电性的原因。同年，麦克斯韦等人发现超导同位素效应，证实超导电性与晶格振动有关。1956年，库柏利用量子场论方法提出电子能结合成对的概念，这种电子对被称为库柏对。1957年，巴丁、库柏和施里弗共同提出了BCS理论，解释了超导电性的微观机制。这一理论在1972年为他们赢得了诺贝尔物理学奖。

约瑟夫森效应的发现

BCS理论最突出的成果是约瑟夫森效应的发现。1962年，约瑟夫森根据BCS理论预言了直流和交流约瑟夫森效应，这一预言后来被实验证实。约瑟夫森效应的发现为超导技术的实际应用开辟了新的道路，他也因此获得了1973年诺贝尔物理学奖。

高温超导的探索

自超导电性发现以来，提高超导转变临界温度一直是研究的重点。1941年，阿瑟曼发现氮化铌（NbN）的临界温度可达15K。1953年，哈迪和休姆发现A-15结构超导体，其中钒三硅（V3Si）的临界温度达17.1K。贝尔实验室的马赛阿斯团队在这一领域进行了长期探索，1973年获得铌三锗（Nb3Ge）薄膜，临界温度提高到23.2K。

1986年，IBM苏黎世研究实验室的柏诺兹和缪勒在金属氧化物中发现了钡镧铜氧（Ba-La-Cu-O）的超导特性，临界温度达到35K，这一突破性发现引发了全球性的“超导热”。1987年，柏诺兹和缪勒因此获得了诺贝尔物理学奖。

图 10 – 15 超导临界温度的提高

高温超导的发现为超导技术的实际应用开辟了新的道路。例如，高温超导微波滤波器系统可用于移动通信和卫星通信，超导输电线材可用于核聚变堆等。这些应用展示了超导技术在未来的广阔前景。