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百花齐放——超导研究历史如何?研究手段有哪些?

2020-10-26 15:20
返朴
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超导研究的历史与挑战:曾经辉煌,今路在何方?

近日,首次实现15℃室温超导的成果引发关注,即使需要近乎地心的高压,但仍让人们对于未来使用真正的室温超导而浮想联翩。超导的研究历史已经超过100年,尤其在近30多年里,源于对其机理的探索开辟了基础物理与应用技术新的方向,甚至已有成果走入了百姓生活。然而,无论是机制上的理论解释还是对新材料的探索,超导研究仍面临有许多挑战。本文主要从实验探索和理论研究两方面回顾了超导历史,并对如今研究手段进行了简要介绍。

撰文 | 李涛(中国人民大学物理学系教授)

一 超导现象及其量子本质

超导是荷兰莱顿大学的K. Onnes于1911年发现的一种神奇现象。发现之初,人们完全没有想到这个现象与十余年后发生的量子革命居然存在着深刻的联系。超导电性最显著的表现有两个:一个是理想导电性,另一个则是更有神秘感的完全抗磁性。

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如此神奇的现象一定有其非凡的起源。1920-1930年代量子力学的发展非常及时地为理解超导现象提供了思想武器。现在人们知道,超导是一种宏观量子现象。简单来说,超导体中的电子可以步调一致地以德布罗意波的方式非局域地感受磁场的作用,从而将单个电子微不足道的波粒二象性放大到宏观尺度。这就是F. London在1930年代提出的波函数量子相位刚性解释的实质。考虑到当时人们对于新生的量子力学的理解仍然相当混乱,London思想的深邃和大胆实在令人敬畏。

超导研究的历史与挑战:曾经辉煌,今路在何方?

图1: 理想导电性和完全抗磁性是超导体的两个基本性质。

上图显示了水银(历史上第一种超导体)的电阻曲线和铜氧化物高温超导体的电阻曲线。下图显示了铜氧化物高温超导体的抗磁磁化率曲线。完全抗磁性是W. Meissner和R. Ochsenfeld于1933年发现的。这一发现直接导致了超导机理研究的第一次突破——London量子刚性理论的提出。

了解了超导是一种宏观量子现象是否就意味着解决了超导问题了呢?当然不是。首先,我们不了解是什么原因导致超导体中的电子运动发生量子协同,没有对于这个问题的理解,London解释最多只能当成一种猜测。其次,如何使超导这种宏观量子现象在更容易实现的条件下发生?毕竟,最初发现超导现象的条件极端苛刻。第三,利用这一神奇现象可以实现哪些重要或新奇的应用?对于这三个问题的探索构成了超导研究的主体,它们分别对应于超导机理研究,超导材料研究和超导应用研究。

超导研究的历史与挑战:曾经辉煌,今路在何方?

图2: 超导体中的电子具有非局域地感受远处磁通量的能力,就像一个宏观尺度上的Aharonov-Bohm效应体系。

二 超导研究的意义:应用与基础物理

一百多年过去了,为何我们仍然对于超导研究如此热衷?这是因为,超导研究不仅具有重大应用价值,也具有重大基础物理意义。与此同时,超导研究正面临前所未有的机遇和挑战。

首先我们来看超导研究的应用意义。超导电性的应用大致可以分为强电应用和弱电应用两个方面。

超导体的强电应用主要是利用超导体的宏观电磁性质,即理想导电性和完全抗磁性。这方面的应用经常有媒体报道,如利用超导直流输电,超导磁悬浮等。大家可能不太熟悉的是,利用超导体的理想导电性可以产生极端强大的磁场。强大的磁场既可以用于基础前沿研究,例如高能粒子加速器,或者极端条件下的物性研究,也可以用于一些与我们的日常生活密切相关的领域,例如高分辨医学成像等。强磁场的一个更加重要的应用领域是为受控热核聚变提供其不可替代的磁约束,这为人类解决终极问题——能源——提供了可能。

超导体的弱电应用主要是利用其量子特性。比如,利用超导量子干涉技术,人们探测磁信号的灵敏度可以达到一个磁通量子的水平(一个磁通量子约等于2×10^(-15)韦伯)。如今火热的量子计算领域,基于超导约瑟夫森效应构造的量子比特是目前实现大规模量子计算最有希望的硬件单元。同时,利用拓扑非平庸超导体特殊的电子态结构,人们有望实现具有拓扑保护的稳定的量子计算。

超导研究的历史与挑战:曾经辉煌,今路在何方?

图3:超导量子干涉仪(SQUID)示意图。利用超导体的宏观量子相干性,我们可以将磁场测量的精确度提高到一个磁通量子的水平。

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