超导现象的微观机理

超导是某些金属或合金在低温条件下出现的一种奇妙的现象。最先发现这种现象的是荷兰物理学家卡麦林·昂纳斯。

1911 年夏天，当昂纳斯的两个研究生在做低温实验时，偶然发现某些金属在极低温环境中，金属的电阻突然消失了。昂纳斯接着用水银做实验，发现水银在 4.1K 时（约相当于-269℃），出现了这种超导现象；他又用铅环做实验，九百安培的电流在铅环中流动不止，两年半以后仍旧毫无衰减。

昂纳斯的这一发现轰动了全世界的科学家，大家纷纷想要揭开超导的奥秘，因为只有了解了超导现象的微观机理，才能使它为人类作出更大的贡献。

美国伊利诺斯大学的物理学教授约翰·巴丁也想解开导体的电阻为什么在超低温时会消失这个令人费解的斯芬克斯之谜。1955 年金秋季节，巴丁与他的研究生罗伯特·施里弗，以及另一位年轻的博士利昂·库珀组成了一个探索超导现象微观机理的研究小组，开始朝这一神秘的领域进发。巴丁原是半导体领域的专家，1956 年因发现晶体管效应而劳获诺贝尔物理学奖；库珀对量子场论、量子统计以及处理数理方法非常熟悉；而施里弗则年轻敏捷、敢想敢闯。他们老、中、青三结全，为揭开超导之谜奠定了可靠的知识基础。

早在 1950 年，英国物理学家弗罗里希就曾预言：超导体的临界温度与同位素的质量之间存在一定的关系。所谓“临界温度”，就是导体从正常导电状态变为超导电状态时的转变温度。果然，弗罗里希的预言得到了实验的证实。那么它的实质是什么呢？他经过分析后认为，同位素之间的电子分布状态是相同的，而原子质量是不同的，那么，超导电性会不会与晶格原子的性质有关呢？也许，超导的出现（即电阻的消失）是由于电子和晶格原子的相互作用才产生的吧！那么，电子和晶格原子是怎样互相作用的呢？弗罗里希对这一问题一筹莫展，无能为力；而这正是巴丁希望他研究小组能尽早解决的关键问题所在。

仅过了一年，库珀就提出了“库珀对”的崭新概念。“库珀对”是一种电子束缚对，它由两个电子组成，由于晶格的存在，这两个电子之间除了库仑斥力之外，还有一种由晶格引起的引力。正是这种附加的引力作用，才使这两个电子彼此挨近，组成电子对的。库珀建立了物理模型，接下去的数学计算重任落在了施里弗的肩上。

就在库珀提出“库珀对”概念的下一年——1957 年，施里弗在阅读英国物理学家伦敦的一本书的，顿时茅塞顿开，豁然开朗。伦敦这位超导理论的先驱，他是怎样论述的呢？他在书中写道：“超导体是电子在宏观尺度的量子结构，是某种平均动量的凝聚。”正是这句话使施里弗认识到，“库珀对” 中的两个电子虽然相距非常微小，但相对于原子核来说却是异常大的。这样，大量的“库珀对”必然要相互联系，形在凝聚状态，正是微观尺度上的这种凝聚态，在宏观尺度上表现为奇妙的超导电性。这样，当务之急便是用量子力学的方法写出描述这种凝集态的波函数，即超导体的基态波函数。经过连

续奋战，施里弗如愿以偿，写出这个“众里寻它千百度”的波函数。在此基础上，巴丁、施里弗和库珀三位科学家又通力合作，乘胜追击，一套完整的超导微观理论终于呈现在这三位合作者的眼前，超导性的奥秘终于揭开了，他们三人荣幸地分享了 1972 年度的诺贝尔物理学奖。这一理论也以他们姓氏的头一个字母命名，称为“BCS 理论”。

然而，天有不测风云。在很长一段时间内，超导材料的临界温度都在相当低的温度范围内徘徊，但科学家无时无刻不在千方百计地企图提高它的温度。他们从纯金属找到合金，从无机材料找到有机材料⋯⋯总想有所收获，有所发展。在昂纳斯发现超导现象后的第 75 个年头，即 1986 年，从瑞士苏黎士的 IBM 实验室传来了激动人心的消息：当科学家在许许多多的导电材料面前束手无策，从而转向绝缘材料时，情况出现了转机，钡镧铜氧化物的临界温度可能会突破铌三锗（Nb3Ge）一统天下的局面，达到 30K（约-243℃）。经过全世界科学家们的不懈努力，到 1987 年初，捷报频频传来，一度使这个以“冷”著称的领域成了前所未有的“热点”，成了科学界内外各方人士关注的“焦点”，科学家把超导材料的临界温度一下子提高到了近 100K（约- 173℃），并且大有向室温（300K）冲刺的势头。

科学家对此真可谓“望穿秋水”了。然而，它却对解释超导机制的 BCS 理论是一次严峻的挑战！因为根据 BCS 理论，超导最高临界温度不会超过40K，而现在却早已远远地超过了这一极限。很显然，BCS 理论是解释不了新发现的超导现象的，这就类似于本世纪初时，牛顿力学所遇到的尴尬局面，人们在努力寻找超导领域中的“爱因斯坦相对论”。新的超导机理在何方？许多科学家为此作了种种探索。

日本物理学家田中昭二等人对超导陶瓷的结构进行了分析，提出了 6 个氧原子包围铜原子所组成的八面体分为两层，当电子在这“夹层”中穿过时，就出现了超导现象。

美国物理学家菲利普·安德森也提出了一个新的超导理论，他一反“库珀对”的常规，认为电子不是互相吸引而是互相排斥，正是这种排斥才使电子与电子挨近了，结合了。

中国复旦大学的陶瑞宝也提出了一个超导的激子渗流理论，这一理论认为，处于超导态下的电子具有特殊的能带结构，这些电子形成的电子波在晶体中互相迭加，当在这晶体中通以电流时，电子就会绕过晶体中的点阵，沿电子波迭加的方向运动，不会产生阻力，由此便产生了超导现象。

当然，所有这些理论还都十分稚嫩，他们能够解释某些现象，但又无法解释另外一些现象。超导现象真正的微观机理还是一个谜，人们期待着它早日“呱呱坠地”，为了寻找更高临界温度的超导材料“出谋划策”。