§13.8 高温超导的探索

自从发现超导电性以来，人们逐渐认识到超导技术有广泛应用的潜在价值，世界各国花了很大力气开展这方面的工作，但是超导转变温度

太低，离不开昂贵的液氦设备。所以，从昂纳斯的时代起，人们就努力探索提高超导转变临界温度 Tc 的途径。

为了寻找更适于应用的超导材料，几十年来，物理学家广泛搜查各种元素的低温特性。除了汞、锡和铅以外，又发现铟、铊和镓也有超导特性，这些材料都是金属，而且具有柔软易熔的共同性质。后来迈斯纳把试验扩展到坚硬难熔的金属元素，又发现了钽、铌、钛和钍等金属具有超导特性。当磁冷却法应用于低温后，在极低温区（1K 以下）又找到了许多金属元素和合金有超导迹象。后来甚至知道上千种物质的超导特性，可是，它们的转变温度都在液氦温度附近或在 1K 以下。

1941 年，德国物理学家阿瑟曼（G.Ascherman）发现第一个被找到的超越液氦区的超导材料是氮化铌（NbN），其临界温度可达 15K。

1953 年，美国物理学家哈迪（G.F.Hardy）和休姆（J.Hulm）开辟了另一条新路，他们找到了四种 A−15 结构或β钨结构的超导体，其中钒三硅（V3Si）的临界温度最高，达 17.1K。A−15 结构是一种结晶学符号，

它代表的化学组成一般为 A3B 的形式，其中铌（Nb）、钒（V）等过渡元素为 A 组元，第Ⅲ或第Ⅳ主族的元素或其它过渡元素为 B 组元。

贝尔实验室的马赛阿斯（B.T.Matthais）沿着这一线索坚持了长期

的探索。他和他的同事围绕 A−15 结构进行了大量实验，总结出了一些经验规律，收集了大量数据，并于 1954 年找到了铌三锡（Nb3Sn），Tc 为18.3K；1967 年制备了组成非常复杂的合金 Nb3.8（Al0.75·Ge0.25），Tc 为 20.5K；1973 年进一步获得铌三锗（Nb3Ge）薄膜，Tc 提高为 23.2K。

照这样的速度发展下去，人们大概可以指望将超导临界温度提高至 30K 附近的液氖区。

令人遗憾的是，他们持续的努力没有取得进一步成果。1973 年以后的 13 年，临界温度一直停滞不前。

世界上还有许多物理学家研究其他类型的超导体，诸如有机超导体、低电子密度超导体、超晶体超导体、非晶态超导体等等，其中金属氧化物超导体吸引了许多人的注意。

金属氧化物也是马赛阿斯研究的项目。1967 年他和伦梅卡

（J.P.Remeika）等人共同发现了 RbxWO3 的超导特性。随即休姆等人在1968 年发现 TiO 的超导特性，不过 Tc 都在 10K 以下。1973 年约翰斯通

（D.C.Johnston）发现 Li1+xTi2−xO4 的 Tc 达 13.7K。

令人不解的是，金属氧化物一般都是非导体，可是某些组成都可以在低温下变成超导体，这个事实确是对现有的物理学理论的挑战。人们只有在经验的基础上摸索前进。

正是这一条朦胧不清的道路引导了缪勒（K.A.Müller）和柏诺兹

（J.G.Bednorz）对高 Tc 超导体的研究作出了突破性的进展。

缪勒是国际商用机器公司（IBM）苏黎世研究实验室的研究员，物理部的负责人，他多年来一直在材料科学领域，特别是电介质方面进行卓

有成效的研究。他对超导体也很熟悉，1978 年就开始作过研究，课题是颗粒超导电性。纯铝的 Tc 是 1.1K，如果铝的颗粒被氧化物层包围，颗粒系统的 Tc 可提高到 2.8K。

柏诺兹是西德年轻的物理学家，原在瑞士联邦工业大学当研究生，后来到 IBM 苏黎世研究实验室在缪勒指导下做博士论文，1982 年获博士学位，留在 IBM 从事研究工作。

从 1983 年起，缪勒和柏诺兹合作，探索金属氧化物中高 Tc 超导电性

的可能性。从 BCS 理论可以作出这样的推测：在含有强的电−声耦合作用

的系统中，有可能找到高 Tc 超导材料。他们认为，氧化物符合这一条件。于是就选择了含有镍和铜的氧化物作为研究对象。在这方面他们进行了三年的研究，取得了很多经验。

其实，这方面的工作早在 70 年代就已经有人在做。他们的突破在于从金属氧化物中找到钡镧铜氧的化合物——一种多成分混合的氧化物。 1985 年，几位法国科学家发表了一篇关于钡镧铜氧（Ba−La−Cu−O）

材料的论文，介绍这种材料在 300℃至—100℃的范围内具有金属导电性。正好这时缪勒和柏诺兹因实验遇到挫折需要停下来研究文献资料。有一天柏诺兹看到了这篇论文，很受启发，立即和缪勒一起对这种材料进行加工处理，终于在 1986 年 1 月 27 日取得了重要成果。

1986 年 4 月，柏诺兹和缪勒向德国的《物理学杂志》投寄题为

《Ba−La−Cu−O 系统中可能的高 Tc 超导电性》的文章，他们只是说可能

有，一方面是因为尚未对抗磁性进行观测，另一方面也是出于谨慎。在此之前曾有过多次教训，有人宣布“发现”了高 Tc 超导体，后来都证明

是某种假象所误。

不久，日本东京大学的几位学者根据 IBM 的配方备制了类似的样品，证实 Ba−La−CU−o 化合物具有完全抗磁性。缪勒和柏诺兹随即也发表了他们的磁性实验结果，不过论文到 1987 年才问世。

一场国际性的角逐在 1987 年初展开了，柏诺兹和缪勒的发现引起了全球性的“超导热”。1987 年他们两人共获诺贝尔物理奖，在领奖演说中引用了一张图表，如图 13−2。这张图表展现了几十年来探索高 Tc 超导

体的漫长历程和 1986 年 1 月到 1987 年 2 月间的突破性进展。

■图 13−2 超导临界温度的提高