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科学|超导研究的历史与挑战：曾经辉煌，今路在何方？( 二 )


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 。
科学|超导研究的历史与挑战：曾经辉煌，今路在何方？
本文插图

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 。
当然 ， 超导体的弱电应用未必一定涉及量子层面的效应 。 一个和我们日常生活密切相关的例子是 ， 利用超导体的理想导电性我们可以制造具有超高品质因子的超导滤波器 ， 这为提高电子通讯的带宽和保真度提供了极大的空间 。 这项技术已经在为我们的生活默默服务了 。
我们再来简单谈谈超导研究的基础物理意义 。 超导研究在历史上曾经多次为基础物理研究带来具有普适性的重要思想 。 例如 ， 超导电性的金兹堡-朗道理论既是朗道对称破缺思想最伟大的应用之一 ， 也为后世有效场思想在物理学中的广泛应用奠定了基础 。 又如 ， 刚刚过世的凝聚态物理伟人P. W. Anderson在1950年代对于超导体中规范对称破缺的研究 ， 为粒子物理中Anderson-Higgs质量获得机制的提出提供了重要的启发 。 （相关内容参见《文小刚忆安德森：他是20世纪凝聚态物理的一面旗帜》《戴希：安德森教授纪念会上那些让人印象深刻的片段》）再有 ， 基于电子配对解释超导电性的BCS理论 ， 给从原子核结构到中子星这一跨度达13个量级尺度的物理研究提供了重要的思想源泉 。 最后 ， 对于铜氧化物高温超导机理的长达三十年的持续求索为人类超越现有凝聚态物理框架 ， 发展全新的量子物态理论提供了重要的物理线索和机遇 。 除此之外 ， 超导研究还带动了大量相关物理问题的研究 ， 导致了大量新材料和新现象的发现 ， 促成了大量新的研究方法的发展和成熟 ， 同时还引发了物理学不同领域的交叉融合 。
三 超导材料研究的历史与现状
作为一种宏观量子现象 ， 超导的发生需要满足苛刻的条件 ， 尤其表现在需要的极低温条件上 。 Onnes最初在金属汞中发现的超导其临界温度只有4.2K ， 这几乎就是常压下氦的液化温度 。 Onnes正是先实现了氦的液化之后才得以用液氦冷却发现超导现象的 。 而这一极低温条件的获得代价极高 。 因此提高超导临界温度 ， 使这种宏观量子现象在更加容易实现的条件下发生一直是人们的梦想 。 在超导现象发现之后的60多年时间里 ， 科学家进行了广泛的超导材料探索 ， 同时也总结出了大量经验规律 。 比如发表于1970年的著名的Matthias规则 ， 这里摘抄其中的几条：
（1）不要试图在非金属 ， 半导体 ， 半金属材料中寻找超导 。 在具有高电子态密度的高对称性金属中发现超导的希望最大 。
（2）不要试图在具有铁磁性 ， 反铁磁性的材料中寻找超导 。
（3）不要试图在氧化物中寻找超导 。 （4）不要轻信理论家的所谓预言 。 他们做的不过是描述 ， 而不是预言 。
当然 ， 这些规则中的很多条已被证明并不正确 。 这些经验规律不如说反映了当时人们在探索新的超导材料时的沮丧感和无力感 。 到1973年 ， 超导临界温度的记录仅仅被提升到23.2K（铌三锗） ， 仅仅稍稍高于常压下氢的液化温度 。 液氢虽然相对于液氦比较容易获得 ， 但是操作起来却有很大的安全风险 。 由此物理学家可以继续向上探索 ， 下一个临界温度的目标是氮气的液化温度 ， 也就是77K 。 氮气容易获得 ， 而且是一种安全可靠的制冷剂 。 然而 ， 在六十年的时间里临界温度仅从4.2K提升到到23K ， 想要达到77K谈何容易 。 人们甚至一度悲观地认为超导临界温度不会超过40K ， 也就是所谓的麦克米兰极限 。 麦克米兰极限是电声子相互作用框架下常压超导临界温度的极限 ， 在常压下超越这一极限往往意味着非常规的超导机理 。


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