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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？( 三 )


事情的转机出现在1986年 ， IBM苏黎世研究所的J. G. Bednorz和K. A. Muller在一类铜氧化物中发现了超越麦克米兰极限的可能 。 这类铜氧化物的母体材料不仅是氧化物 ， 还是绝缘体 ， 而且有着非常强的反铁磁性 。 由于其准二维的结构特性 ， 这类材料的对称性也很低 ， 电子的态密度也出奇的低 。 这项发现几乎打破了Matthias规则的所有条款 ， 除了最后一条 ， 因为麦克米兰极限正是人们按照当时有限的理论认识作出的推断 。 这个出乎所有人意料的发现于1987年获得诺贝尔物理学奖 ， 成为诺贝尔奖历史上从做出发现到授奖最短的时间记录之一 。
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兰极限 ， 但是在随后不到两年的时间里 ， 研究者通过元素替代将这类铜氧化物的超导临界温度提升到135K ， 这也是目前常压下的超导临界温度的最高记录 。 在探索铜氧化物超导的历程中 ， 中科院物理所的赵忠贤先生和Huston大学的朱经武先生各自领导的研究组首先突破了液氮温度极限 。 由于这一原因 ， 这类超导体也被称为高温超导体 。 铜氧化物高温超导体发现时 ， B. T. Matthias先生已经过世六年 ， 有意思的是 ， 在铜氧化物中率先实现液氮温度极限突破的朱经武先生正是Matthias先生的学生 。 想必 ， 如果Matthias先生在世 ， 听到高温超导体的发现 ， 除了震惊 ， 一定会为自己的学生骄傲吧 ， 甚至他本人也有可能为高温超导研究再做出重大贡献呢 。 毕竟Matthias先生去世时仅63岁 。
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图4: 铜氧化物高温超导体的晶体结构 。 Bednorz和Muller的这个意外发现已经让物理学家们忙了三十多年 ， 在可预见的将来应该还要忙很久 。
铜氧化物高温超导体的发现引发了超导研究长时间的热潮 。 这一方面是因为人们发现它的超导机理明显不同于传统的超导体 。 另一方面 ， 铜氧化物高温超导体的发现打破了人们的思想禁锢 ， 鼓舞材料学家在更加广阔的范围内探索新的超导体 。 在随后的三十多年时间里 ， 新的超导体系层出不穷 ， 并且常常成为当年科学的热点话题 。 其中几个有代表性的例
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从上面几个简单举例可以看出 ， 人们对于第一过渡金属元素的化合物的超导特别有兴趣 ， 例如铜氧化物、镍氧化物、钴氧化物、铁氧化物等 。 原因一方面是受到铜氧化物超导的启发 ， 更是因为这类材料的超导都具有非常规的超导机理 ， 相互对比研究可以为我们理解高温超导机理带来新的线索 。 需要特别说明的是 ， 自铜氧化物高温超导研究开始 ， 中国在超导研究方面取得了巨大的进步 ， 具有很好的国际声誉 。 例如 ， 在铁基超导体发现之后 ， 中国科学家率先突破了40K的极限 ， 并保持了铁基超导体临界温度的最高纪录 ， 另外还发现了超越77K极限的有力证据 。
在最近三十年里 ， 除了提高超导临界温度 ， 超导研究的目标逐步多样化 。 物理学家们发现了大量性质不同于传统超导体的非常规超导体 。 虽然这些超导体的临界温度较低 ， 可是对它们的研究不仅有助于深化我们关于超导机理的认识 ， 也有助于实现一些新奇的应用 。 比如 ， 利用目前研究热点之一的拓扑超导 ， 就有可能实现具有拓扑稳定性的量子计算 。 实际
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报道可以表现出拓扑超导的某些特征 。 另外一个例子是大家比较关注的石墨烯超导体系 。 这一体系的超导临界温度非常低 ， 但是由于该体系在低能下拥有复杂多变的电子结构 ， 可以用来研究包括超导在内的不同物态间复杂的相互关系 。


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