超导物理学

超导物理作为一个有近百年历史的学科，它是随着对超导电性的研究，认识不断发展起来的，特别是20世纪50年代以来取得了一系列重大突破，引发了今天的"高温"超导电性机理及超导材料研究的热潮。

昂内斯于1853年9月21日生于荷兰的格罗宁根，29岁即1882年就被任命为荷兰莱顿大学物理学教授和实验室主任.晋升后不久，昂内斯受到他的同胞范德瓦尔斯研究的影响，决定在莱顿大学建一个当时在世界上规模最大的低温实验室，并把全部研究项目都转到低温研究方面.由于有了较好的实验条件，昂内斯于1906年使 用真空泵连续真空法，使低温气体获得最大限度的膨胀，这样，他获得了20.4k（零下252.76℃）的低温，液化了氢气.由于有了大量液态氢，就为进一步液化氦气打下了坚实的基础.

1908年7月10日，液化氦气的关键性实验从凌晨5点半就开始了，经过漫长的13小时之后，实验室的工作人员才在人类科学史上第一次看到了液态的氦.当时，昂内斯激动得不得了，他激动地说："当我看到了液氦时，那真有点像神话中的幻觉，一切都似乎是奇迹的显现."在实验过程中昂内斯获得了4.2k（零下268.96℃） 的低温.

过了两年，昂内斯进一步做了使氦固化的试验，但是没有成功.虽说氦没有固化成功，昂内斯意外地从中却获得了1.04k（零下272.12℃）的低温.这是人类向绝对零度大大逼近了一步.人们为了尊敬昂内斯的贡献，给他送了一个风趣的绰号叫"绝对零度先生".从此，昂内斯更加专心致志于探索物体在低温时表现出的特殊性质.

昂内斯和他的学生开始用汞作为测量对象，因为他认为金属材料纯净与否会大大影响测量.而汞可以用蒸馏法提炼得非常纯净.1911年4月的一天，昂内斯让他的学生霍尔斯特进行实验观察，在观察中发现当温度到4.2k以下时，电阻突然消失了，这使霍尔斯特大为惊讶.但是，昂内斯并不感到过分吃惊，因为这一实验结果与他的猜想相吻合.4月28日，昂内斯公布了他们的这一重要发现.同年11月25日，他又明确指出,"测量表明，从氢的熔点（14.02k）到氦的沸点（4.56k）之间，曲线显示出汞的电阻随温度下降而减小的速度与通常情形一样，是逐渐减小的；但到4.21k与4.19k之间，电阻减小的速度急剧加快；到4.19k时，电阻完全都消失了".就这样，低温超导现象被人类第一次发现了.

为了进一步证明电阻真的减到零，昂内斯和他的学生把磁铁穿过水银环路，由于电磁感应产生的电流保持了好几天，这就充分证实了电阻完全消失后的超导现象：即只要超导体内有电流，由于没有电阻，所以原则上电流就会永远流动下去，不会停止.1913年，昂内斯首次在论文中使用了"超导电性"这个词.

美国物理学家巴丁，库珀，施里弗说明了超导现象的微观本质和机制，创立了BCS超导微观理论

超导现象虽说于1911年就发现了，但是直到20世纪40年代末，还只能建立起一个唯象的理论，仅仅只限于解释超导的宏观现象.一直到1957年，关于超导现象的 微观本质和它的机制，才由美国物理学家巴丁，库珀和施里弗三人共同解决----他们合作创建了超导微观理论.他们三人创建的这套理论，取每人姓氏的第一个字母进行组合，即被称为"BCS"理论.这一理论提出后，迅即被大量理论研究和实验实践证明它是十分成功的----因为，这一理论能对超导电性作出正确的解释，并极大的促进了电性和超导磁体的研究和应用.所以如此，他们三人于1972年共同获得了诺贝尔物理学奖.

缪勒和柏德诺兹的研究成果导致多种液氮温区高温超导体材料的出现，并宣告了超导技术开发应用时代即将到来

20世纪70年代中期以后，人们对于超导现象的研究沉寂了一段时间.这是因为在实验室里，人们对超导材料的选择上仅限纯金属,金属合金和金属化合物，这些材料的临界温度约在23.2k以下，无法提高因此在应用上受到了阻碍.到1986年1月26日，美国国际商用机器公司苏黎世实验室的瑞士物理学家缪勒和西德物理学家柏德诺兹发现钡镧铜氧化合物的临界温度提高到了30k左右，并证明有可能提高到35k.

这次成功缘于一次国际会议的召开.在1983年7月的一次国际会议上，缪勒遇到了他的老朋友托马斯教授.在会上，托马斯教授提出了一个新的设想----他认为，绝缘体的电子通常都紧密地与原子核紧紧连在一起，因而不容易导电；但如果给某些绝缘体掺入一些杂质，以松散与核紧密相联的电子，这样的话，电子就比较自由，这些绝缘体就有可能成为超导体.

缪勒当时正在进行这方面的研究，托马斯的观点与他的想法正是不谋而合.听了托马斯的分析，缪勒的信心和劲头更足了.他对金属氧化物已经有充分的了解，最后，他选用了陶瓷材料.在以后的两年半中，他与他的助手柏德诺兹在实验室中苦干，终于取得了前面提到的突破性发现.

他们俩人的发现，意义不仅仅在于使超导的温度有了较大幅度的提高，更重要的是他们选用的陶瓷材料----突破了传统中材料的选择.正是由于这一选择和突破，在全世界掀起了一股前所未有的超导热，在短短的几个月时间里，美国，中国，日本和前苏联竞相宣布，它们的科学家们用陶瓷材料，将超导的临界温度大幅度地提高了.

1957年，挪威裔美国物理学家贾埃弗完成了量子力学隧道效应实验，并于1960年完成了超导体隧道效应实验.于1973年获诺贝尔物理学奖.

1962年，英国物理学家约瑟夫森预言，在超导体--绝缘体--超导体这样一个结构中（物理学上通称为一个"结"),将会出现无电阻电流，这一预言在1963年被实验证实，并命名为"约瑟夫森效应".又过了一年，一位叫默塞罗的物理学家发现，如果利用两个约瑟夫森结，则可利用两个电流的相互干涉作用，使无阻电流值更大这种干涉效应与光学中利用双缝增强光度的效应是差不多的."超导量子干涉仪"就是根据这一原理制造出来的.超导量子干涉仪的用途极为广泛，如果用来作精密测量，其精密度达到惊人的程度.

约瑟夫森和贾埃弗的发现，对于研制高性能的半导体和超导体元器件具有很高的应用价值，并导致超导电子学的建立.

超导研究已长达近一个世纪，20年前超导应用在科学界还被认为是一种侈谈.而今天，它已在科研，医疗，交通，通信，军事，电力和能源等领域得到了应用.但这只是序幕，超导研究与应用在21世纪将为我们展现更加绚丽辉煌的前景.