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从超低温走向高温

时间:2022-08-24 百科知识 版权反馈
【摘要】:经过75年的研究,超导现象仍然只能在极低的温度下实现。这仍然是个不知道的问题,科学家靠自己的经验去寻找新材料,经验也不是可靠的经验,有不少盲目性。这一消息,给物理学家们打了一针兴奋剂,重新掀起了研究超导的热潮。实现超导的温度在不断上升。首先,人们还说不清高温超导的机理,用我们中学生的语言来说就是,还不知道为什么会出现高温超导这一奇异的现象。在超导材料中,为什么有的临界温度高,有的临界温度低……

超导的故事,开头部分十分精彩,开阔了人类的眼界,看到了一个神奇的世界。故事说,在-269℃的时候,水银的电阻突然消失了,这叫超导。

这是违反常识的现象,电流通过导体,总会遇到阻力,阻力大的时候,导体会发热,这就是电炉中的电热丝。白炽灯泡里的钨丝电阻更大,热得发出了白光。

可是,从1911年开始,科学家卡麦林——昂内斯却说,他发现了超导现象,电会在导体内不停地流动,不停止,也不损耗。

于是,超导的故事开始了。随后,故事不断卡壳,遇到了一连串“不知道”,故事讲不下去。第一个“不知道”是:为什么会出现超导现象?

这需要科学家从理论上加以说明。理论是行动的指南,有理论才能明确方向,有好几位科学家做过探索,有些进展。到了1950年,有位名叫巴丁的科学家被超导研究吸引了过来。巴丁,就是发明了晶体管的那位巴丁,是诺贝尔奖获得者。他与两位青年科学家联手,共同创造了一个理论叫BCS的理论。BCS分别是他们三人姓氏的第一个字母。

有了BCS理论,解除了人们对超导的各种疑团,了解了超导的秘密。这时,超导的故事进入了诱人的阶段,想到了将来有一天,利用超导的原理,可以把三峡的电毫无损失地送到上海、香港;火车悬浮在铁轨上毫不费力地达到每小时五六百千米的速度……

美好的故事又卡了壳。经过75年的研究,超导现象仍然只能在极低的温度下实现。从最初的-269℃,只提高到-250℃。那么低的温度,只能利用液氦来实现。而空气中的氦十分稀少,把氦收集起来制造成液氦,设备非常复杂,制造费用很贵,贵得叫人用不起。

于是,人们开始寻找新的超导材料,希望能在-196℃以上的温度里实现超导。如果实现超导的温度能提高到这个程度,那么制造冷的液化气体就可以把氦换成氮。空气中的氮很多,来源十分丰富,制造液氮的费用也低,比较实用。

BCS理论没有能提供帮助,还有人说要在液氮环境下实现超导是不可能的。超导现象暂时停留在实验室里,诱人的应用前景仍然是幻想。

新的超导材料应该是什么东西?这仍然是个不知道的问题,科学家靠自己的经验去寻找新材料,经验也不是可靠的经验,有不少盲目性。探索中出了两位人物:瑞士的柏诺兹和缪勒,他们于1986年初宣布,一种陶瓷性的金属氧化物在-243℃会出现超导。

这真是富有戏剧性的变化。多年来,实现超导的温度一直没有提高过,而这两位瑞士科学家却一下子提高了7度。这一消息,给物理学家们打了一针兴奋剂,重新掀起了研究超导的热潮。大家心里明白了一些,知道了应该去寻找什么材料,那就是沿着瑞士人打通的路走下去。

超导的故事开始热闹了起来。各国的实验室日以继夜、夜以继日地工作,像赛跑似的加紧研究。首先取得成果的人是美籍华裔科学家朱经武。他宣布,金属氧化物确实是一种新的超导材料,他在-233℃的时候实现了超导。这个温度,比瑞士人的纪录又提高了10度。

过了两个月,1987年2月15日,朱经武的研究,又把实现超导的温度提高到-175℃。这个消息是由美国国家基金会宣布的,至于是采用了什么材料,不说,有意不让人知道——这也是一个“不知道”。

事隔9天,中国科学院召集中外记者开了个新闻发布会,宣布物理研究所的赵忠贤、陈立泉等十几位中国科学家找到了新的超导材料,实现超导的温度在-173℃以上,材料成分是钡、钇、铜、氧。

在此以后,新的纪录不断传来,-169℃,-148℃……实现超导的温度在不断上升。于是出现了“高温超导”这个名词。-169℃比-269℃高出100度,当然是高温了。

这是一次腾飞,一次重大的科学成就。超导的故事已比较完满了,是不是应该转过头来,去研究一下怎么应用,用超导现象来搞发明,设计新产品?

然而,超导的故事还有一串“不知道”。

首先,人们还说不清高温超导的机理,用我们中学生的语言来说就是,还不知道为什么会出现高温超导这一奇异的现象。说不清道理,实际应用就很难再向前发展。

目前,比较有影响的解释是苏联科学家博古留博夫的超导理论。这个理论认为,在低温条件下,一些金属和化合物的原子被“冻僵”了。因此通电时,自由电子便会畅通无阻,不会像原来那样,处处受到碰撞和阻碍,为此便产生了超导现象。不过,这种理论也没有得到很好的验证。有些疑问,始终困惑着科学家们:既然原子能被“冻僵”,那么,为什么有的物体有超导现象,而有的物体则没有?在超导材料中,为什么有的临界温度高,有的临界温度低……

再一个问题是:实现超导的温度还能不能再提高?能不能提高到零度以上,提高到20℃,也就是室温?

还有,现在在实验室里实现的超导,电流密度很小,达不到实用所需要的水平,以后能不能达到?

超导材料的品种能不能更多一些,有机物,生物体,能不能超导?

这都是“不知道”。

正因为有一连串“不知道”,才会吸引人们去研究,去探索。

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