暢行無阻：超導零電阻效應的發現

　　在都市開車出門，最不想遇到的情況是什麼？肯定是塞車！

　　在微觀世界裡，電子穿梭在週期有序排列的原子「八卦陣」裡面，也會遇到碰撞甚至「塞車」的情況，用物理語言來說就是電子受到了散射。電子被不斷散射，能量就會發生損失，在宏觀上表現為存在電阻。微觀上電子把部分能量傳遞給了原子實，電子公路上的塞車，造成了原子們的躁動不安，微觀熱振動變得更加激烈了——於是材料整體溫度上升開始「發燒」，這就是因電阻產生的焦耳熱。在某些情況下，焦耳熱有著重要的用途，比如白熾燈的工作原理就是電能轉化成熱能，讓燈絲在高溫下「白熱化」後發光的。但在更多情況下，焦耳熱會讓電能無辜損失掉。從發電廠到變電站，即便採用目前最高效的高壓交流輸電，電能的損失也約占15%。可別小看這個百分比，這意味著，有相當一部分能源還沒真正用上就已經被浪費掉，且不說因此增加的種種環境汙染等問題。

　　如何讓電子在材料內部暢行無阻呢？或者說，是否有那麼一些「特殊情況」，電子公路可以一路暢通呢？物理學家一直在思考這個問題。

　　20世紀初，經過百餘年的電磁學研究，人們已經非常清楚地了解到金屬材料的電阻隨溫度下降將會減小。理由很簡單：將材料整體降溫，讓原子們冷靜下來，這樣電子在不太變幻的「八卦陣」裡也許就可以迅速找到高速通道，儘量不損失能量全身而退。理想看似豐滿，現實卻總是比較骨感。不同的人看問題的角度不同，於是在預測更低溫度下金屬電阻的走向時，有了多種不同的觀點。大家普遍知道，金屬中電阻主要來源於兩部分，原子實熱振動對電子的散射和雜質／缺陷等對電子的散射。降溫只是讓原子振動變弱，但無法改變雜質／缺陷的存在。因此，1864年，馬修森（Augustus Matthiessen）預言金屬電阻隨溫度下降到一定程度之後，將保持不變，即存在一個有限大小的「剩餘電阻」。克耳文勛爵不太同意這個觀點，他認為在足夠低的溫度下，電流中的電子也有可能被「凍住」而不能前進，導致金屬的電阻會迅速增加。我們在此姑且定義馬修森預言的材料叫「正常金屬」，而克耳文預言的叫「反常金屬」。低溫物理的先驅杜瓦和昂內斯則有另一種觀點，金屬的電阻隨溫度下降會持續穩定地減小，最終在零溫極限下變成零，成為一個沒有電阻的「完美導體」。

　　理論這種東西，誰也說服不了誰，畢竟，實驗才是檢驗真理的唯一標準。只有實際測一測金屬電阻在低溫下的行為，才能知道理論有沒有問題。這個實驗的關鍵所在，就是低溫技術。

　　荷蘭萊頓大學的昂內斯，一直苦心經營著他的萊頓低溫物理實驗室，在1908年成功獲得液氦之後，他成為世界上第一個掌握4K以下低溫技術的科學家，奠定了下一個偉大科學發現的基礎。所謂近水樓臺先得月，昂內斯利用低溫物理技術這個祕密武器，緊鑼密鼓地開始驗證他和杜瓦關於金屬電阻的預言。由於金屬電阻本身就比較小，要精確測量其大小不能簡單採用我們現在課本常出現的兩電極法，而是採用所謂四電極法：在材料兩端用兩個電極通恆定電流，在材料中間再用兩個電極測電壓，電壓的大小即正比於其電阻值。這種測量方式有效避免了電極和材料接觸電阻的影響，至今仍然是小電阻的常用測量方法。實驗必須在低溫環境下進行，因此昂內斯設計了一整套複雜的杜瓦瓶，帶有各種複雜的低溫液體（液氫或液氦）通道來控制溫度。起初，昂內斯採用了室溫下電阻率比較小的金和鉑作為實驗材料，在測到5K以下低溫的時候，它們的電阻仍然沒有降低到零，而且似乎保持到了一個有限的剩餘電阻，和馬修森的預言一致。三種觀點裡，初步否定了克耳文關於低溫下金屬電阻會反而增加的預言。

　　昂內斯的初步實驗結果並非與他和杜瓦的預言一致，他沒有停止實驗的腳步，繼續思考「剩餘電阻」的來源。如果它完全是由材料內部的雜質或缺陷造成，那麼在純度極高的金屬材料裡，剩餘電阻為零，低溫下電阻就有希望持續降到零。問題是，上哪兒找這麼一個高純度金屬呢？

　　昂內斯想到了金屬汞，也就是我們俗稱的水銀。因為在室溫下，汞是液態金屬，就像熔化的銀子水一樣亮晶晶的。古人為水銀展現的奇特性質而著迷，相傳在秦始皇陵裡「以水銀為百川江河大海，機相灌輸，上具天文，以人魚膏為燭，度不滅者久之」。無數煉丹術士也把水銀當作重要材料之一，在中世紀煉金術中，水銀與硫磺、鹽合稱神聖三元素。實際情況是，汞屬於重金屬的一種，對人體有劇毒，是金丹裡致命的因素之一。汞在當今生活中最常見的用途就是體溫計，主要利用了它熱脹冷縮效應非常敏感且易於觀測。但是我們知道，水銀體溫計一旦打破存在很大危險。因為汞在室溫下就會蒸發，蒸發出的汞蒸氣吸入人體，會造成汞中毒。汞容易蒸發的物理性質使得汞燈得以發明，這類照明燈更加節能有效。也正是由於汞極易揮發，因此可以非常簡單地透過蒸餾的方法獲得純度極高的金屬汞，其汞含量高達99.999999%，從化學上可認為是幾乎不含雜質的完美金屬。儘管汞在室溫下是液態，但只要冷卻到-38.8℃就會凝成固態。這也讓實驗過程更加方便：在液態下把汞蒸餾進入布好電極的容器，冷卻到低溫後變成固體，同時又和電極形成了良好的電接觸，降低了測量的背景噪音等干擾因素。

　　1911年4月8日，荷蘭萊頓實驗室的工程師弗林（Gerrit Flim）、實驗員霍爾斯特（Gilles Holst）和多斯曼（Cornelius Dorsman），如往常一樣早上7點就來到實驗室準備測試汞在低溫下的電阻，同時用之前測量過的金作為參照樣品。11點20分的時候，實驗室主任昂內斯過來察看液氦製冷情況。在中午時分，他們已經獲得了足夠的液氦並測量了它的電容率，確認低溫液氦並不導電。霍爾斯特和多斯曼在實驗室的另一個房間記錄汞和金的電阻值，在4.3K的時候，這兩個材料的電阻都是一個有限的數值（0.1Ω左右）。隨著進一步蒸發液氦製冷到了3K，下午4點10分，他們再一次測量汞和金的電阻值，發現汞的電阻幾乎測不到了，而金的電阻則仍然存在。昂內斯並沒有因為他的預言可能被驗證而欣喜若狂，他十分冷靜地分析了實驗結果。因為汞和金的結果相反，是不是測量過程出了問題？他們首先懷疑測量電路是否短路了，於是把U形管容器換成W形容器再一次重複了實驗，依然發現汞的電阻幾乎為零。接著他們又懷疑溫度控制是否不太穩定，實驗一直持續到深夜。並在隨後的數天裡霍爾斯特等人詳細測了汞的電阻隨溫度的變化，一個偉大的發現在不經意間出現：在液氦沸點4.2K以下的時候，汞的電阻確實突然降到了零，也即超出了儀器的測量精度範圍。1911年4月底，昂內斯在一次學術會議上初步報導了他們團隊的實驗結果，隨後在1911年5月和1911年10月他們再次以更高精度的測量儀器重複了實驗，確認汞的電阻在4.2K以下降到了10-5Ω以下。1911年11月，昂內斯發表了題為〈汞的電阻突然迅速消失〉的論文，對物理學界報導了這一重大發現，並將該現象命名為「超導」，意指「超級導電」之意（注：昂內斯起初用德語命名為supraconduction，後改為supraconductivité，英文表述為superconductivity）。隨後他們對金屬鉛和錫也進行了測量，發現他們各自在6K和4K也存在超導現象。發生超導現象時對應的溫度又叫做超導臨界溫度，簡稱超導溫度。

　　超導的發現震驚了當時的物理學界，因為大自然顯然不那麼喜歡按照人們推測來出牌。克耳文、馬修森、杜瓦、昂內斯對於「正常金屬」、「反常金屬」、「完美導體」的預言似乎都不完全正確，某些金屬的電阻在特定溫度以下就會突然降為零，而不需要一直到零溫極限下才會緩降為零。後來研究發現在略微有雜質的某些金屬裡面，超導現象依然存在，只是超導溫度有所變化，也就是說，超導與否和雜質散射沒有太大的關係。這為超導現象又蒙上一層神祕的面紗，吸引了眾多物理學家的關注。值得一提的是，後來更多的實驗證明，關於低溫下材料電阻的克耳文和馬修森預言其實都存在於現實中。一些材料如金、銀、銅、鈷、鎳等確實在低溫下不超導，它們的電阻趨於零溫極限時存在一個「剩餘電阻」。對某些金屬材料，如果摻入少量的磁性雜質，那麼在低溫下電子的運動除了受到電荷相互作用外，還會有磁性相互作用，其電阻會隨溫度下降反而上升，這些材料被稱為「近藤金屬」（注：近藤是人名）。對於那些存在複雜磁性排列結構的材料而言，電子的運動將更加複雜多變，電阻隨溫度的變化也是千奇百怪，至今仍讓物理學家們頭痛。

暢行無阻：超導零電阻效應的發現

　　在都市開車出門，最不想遇到的情況是什麼？肯定是塞車！

　　在微觀世界裡，電子穿梭在週期有序排列的原子「八卦陣」裡面，也會遇到碰撞甚至「塞車」的情況，用物理語言來說就是電子受到了散射。電子被不斷散射，能量就會發生損失，在宏觀上表現為存在電阻。微觀上電子把部分能量傳遞給了原子實，電子公路上的塞車，造成了原子們的躁動不安，微觀熱振動變得更加激烈了——於是材料整體溫度上升開始「發燒」，這就是因電阻產生的焦耳熱。在某些情況下，焦耳熱有著重要的用途，比如白熾燈的工作原...

作者自序

　　我第一次為超導著迷，是在2003年。

　　那一年，我讀大三。在那個春夏之交的季節，SARS肆虐，所有學校都採取了停課封校措施。不上課的我們，除了在宿舍看《尋秦記》，在操場閒聊瞎逛外，還有大把時間坐在圖書館靜靜地看書。偶然發現的三本科普書：《超越自由：神奇的超導體》（章立源著）、《超導物理學發展簡史》（劉兵、章立源著）、《邊緣奇蹟：相變和臨界現象》（于淥、郝柏林、陳曉松著），帶我走進了神奇的超導世界。

　　我第二次與超導結緣，是在2004年。

　　那一年，我大四畢業，面臨未來的抉擇。是選擇實現兒時的理想、父輩的期望，成為一名教師？還是選擇發掘自己的興趣，走上科學的道路，成為一名學者？我毫不猶豫選擇了後者。在經歷驚險的免試推薦環節後，我幸運地來到了中國科學院物理研究所，幸運地遇到了一位極其淵博、敬業的教授，幸運地開啟了我在超導國家實驗室的五年碩博連讀生涯。博士生的生活，可以用清苦和枯燥來概括。我的工作，就是日復一日地「燒爐子」，用光學區域熔煉法生長銅氧化物高溫超導單晶並測量其電磁物性。生長了數十根單晶，測量了數百個樣品，得到了一堆可能並不是很有趣的數據。眼看畢業臨近，論文卻還遙遙無期，深感鬱悶和苦楚。然而在2008年，我又一次幸運地趕上了鐵基超導研究的熱潮，於是，論文和畢業，都不再是問題。

　　我第三次和超導相戀，是在2009年。

　　那一年，我博士畢業，又一次面臨人生抉擇。物理所的同學們大部分都選擇了出國留學，而我則曾一度懷疑自己的科學研究能力和英文能力，認為很難在科學研究的漫漫長路上走得很遠，在是否「逃離」科學研究圈的問題上猶豫不決。在一個普通的燒爐工作日，導師關切地問我工作的事情，我說想留在北京，可是很難找到合適的工作。他緊接著問了一句：「為什麼不考慮留在物理所工作？新來了一位很厲害的研究員，我可以推薦你到他組裡啊！」我惶恐地點了點頭。於是，幸運又一次降臨，畢業、留所、工作，一氣呵成。從助理研究員、副研究員到博士生導師，開啟了一個典型而艱苦的升級打怪之路。打怪打的不是別的，正是我博士期間遇到的鐵基超導體，只不過研究內容換成了更高等級的中子散射，出國做各種實驗和日常英文交流是必備技能。如今我已經帶著自己的博士研究生，在高溫超導的實驗研究領域，自信地發表研究論文。超導，成了我科學研究生命裡再也分不開的那個「她」。

　　從1911年發現超導現象開始，超導研究已經一百多年了，然而它依舊長盛不衰，吸引著全世界無數科學家的注意力。不只是因為那些絕對零電阻、完全抗磁性、宏觀量子凝聚等神奇物理現象及其巨大的應用潛力，還因為其中蘊含的深刻物理內涵可能帶來一場凝聚態物理的新革命，更因為超導研究道路總是充滿意外和驚喜。

　　回顧我那短短的科學研究之路，我非常幸運能遇到了超導的好時代。

　　回顧整個超導研究的歷史，我們會發現幸運和不幸，其實都不是偶然。

　　回顧和超導相關的物理發展之路，或許會發現，那個他或她，總會找到屬於自己的「小時代」。

　　在「啟蒙時代」裡，人們敬畏自然、理解自然，從普通的電磁現象，深入到了物質的內部結構和機制。

　　在「金石時代」裡，超導現象被發現，初步認識了這個神奇的物理現象。

　　在「青木時代」裡，超導材料大量出現，各式各樣的新超導材料，沒有做不到，只有想不到。

　　在「黑銅時代」裡，高溫超導橫空出世，物理學皇冠上的明珠，是那麼耀眼，紛繁複雜的物理現象，是那麼激勵人心。

　　在「白鐵時代」裡，鐵基超導意外發現，超導家族空前繁榮，非常規超導機理似乎觸手可及。

　　在「雲夢時代」裡，室溫超導極具可能性，新超導材料如雨後春筍，超導機理研究不斷帶來重要啟示，我們甚至能暢想未來的超導世界，將如夢想般的美好。

　　這一個接一個的「小時代」，科學家的身影也越來越多，他們在超導研究領域取得了令世人矚目的成就，甚至有的已經引領凝聚態物理走向前去。

　　我相信，在當今這個「小時代」，如果有你，會更精彩！

羅會仟

作者自序

　　我第一次為超導著迷，是在2003年。

　　那一年，我讀大三。在那個春夏之交的季節，SARS肆虐，所有學校都採取了停課封校措施。不上課的我們，除了在宿舍看《尋秦記》，在操場閒聊瞎逛外，還有大把時間坐在圖書館靜靜地看書。偶然發現的三本科普書：《超越自由：神奇的超導體》（章立源著）、《超導物理學發展簡史》（劉兵、章立源著）、《邊緣奇蹟：相變和臨界現象》（于淥、郝柏林、陳曉松著），帶我走進了神奇的超導世界。

　　我第二次與超導結緣，是在2004年。

　　那一年，我大四畢業，面臨未來的抉擇。是選...

代序　百年超導，魅力不減

作者自序

第1章　啟蒙時代
　　1　慈母孕物理：物理研究的起源
　　2　人間的普羅米修斯：電學研究的歷史
　　3　雞蛋同源：電磁學的背景知識
　　4　電荷收費站：電阻的基本概念
　　5　神奇八卦陣：材料結構與電阻的關係
　　6　秩序的力量：材料磁性結構與物性

第2章　金石時代
　　7　凍凍更健康：低溫物理的發展
　　8　暢行無阻：超導零電阻效應的發現
　　9　金鐘罩、鐵布衫：超導完全抗磁性的發現
　　10　四兩撥千斤：超導磁浮的基本原理
　　11　鬥毆的藝術：超導量子干涉的原理和應用
　　12　形不似神似：超導唯象理論
　　13　雙結生翅成超導：超導微觀理論
　　14　煉金術士的喜與悲：超導材料的早期探索

第3章　青木時代
　　15　陽關道、醉中仙：氧化物超導體
　　16　胖子的靈活與惆悵：重費米子超導體
　　17　朽木亦可雕：有機超導體
　　18　瘦子的飄逸與糾結：輕元素超導體
　　19　二師兄的緊箍咒：二硼化鎂超導體

第4章　黑銅時代
　　20　「絕境」中的逆襲：銅氧化物超導材料的發現
　　21　火箭式的速度：突破液氮溫區的高溫超導體
　　22　天生我材難為用：銅氧化物超導體的應用
　　23　異彩紛呈不離宗：銅氧化物高溫超導體的物性（上）
　　24　霧裡看花花非花：銅氧化物高溫超導體的物性（下）
　　25　印象大師的傑作：高溫超導機理研究的問題
　　26　山重水複疑無路：高溫超導機理研究的困難
　　27　盲人摸象：超導研究的基本技術手段

第5章　白鐵時代
　　28　費米海裡釣魚：鐵基超導材料的發現
　　29　高溫超導新通路：鐵基超導材料的突破
　　30　雨後春筍處處翠：鐵基超導材料的典型結構
　　31　硒天取經：鐵硒基超導材料
　　32　鐵匠多面手：鐵基超導材料的基本性質
　　33　銅鐵鄰家親：鐵基和銅基超導材料的異同
　　34　鐵器新時代：鐵基超導材料的應用

第6章　雲夢時代
　　35　室溫超導之夢：探索室溫超導體的途徑與實現
　　36　壓力山大更超導：壓力對超導的調控
　　37　超導之從魚到漁：未來超導材料探索思路
　　38　走向超導新時代：超導機理和應用研究的展望

後記

圖片來源

代序　百年超導，魅力不減

作者自序

第1章　啟蒙時代
　　1　慈母孕物理：物理研究的起源
　　2　人間的普羅米修斯：電學研究的歷史
　　3　雞蛋同源：電磁學的背景知識
　　4　電荷收費站：電阻的基本概念
　　5　神奇八卦陣：材料結構與電阻的關係
　　6　秩序的力量：材料磁性結構與物性

第2章　金石時代
　　7　凍凍更健康：低溫物理的發展
　　8　暢行無阻：超導零電阻效應的發現
　　9　金鐘罩、鐵布衫：超導完全抗磁性的發現
　　10　四兩撥千斤：超導磁浮的基本原理
　　11　鬥毆的藝術：超導量子干涉的原理和...