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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？( 四 )


尽管科学家已经取得了上述辉煌的成就 ， 我们仍然希望有朝一日可以在常温常压的条件下实现能承载更强超电流的超导体 ， 也希望能够为实现量子计算找到更加可靠的硬件平台 ， 从而为解决能源和信息处理这两个人类终极挑战带来希望 。 需要说明的是 ， 一些最近的报道表明 ， 在极端高压的条件下（大约为200万大气压） ， 一些含氢的化合物的临界温度可以接近室温 。 但是在给定温度的前提下提高压力其作用类似于在给定压力的前提下降低温度 。 极端高压并不是一个容易实现的条件 ， 室温超导体这个梦想仍然相当遥远 。 （相关内容参见《超高压下首次实现室温超导——中国团队理论预言富氢材料》）而拓扑超导的研究也仍然处于基本原理的演示阶段 ， 离实现拓扑保护的量子计算这一终极目标距离同样很遥远 。 可是话说回来 ， 当年伏打研究青蛙腿痉挛现象的时候 ， 能否想象现在的人类社会即使片刻停电也会造成巨大的灾难？
铜氧化物高温超导体的发现不仅带动了与超导有关的材料科学的长足发展 ， 也导致凝聚态物理研究手段的空前发展 。 目前几种主要的凝聚态物理研究手段 ， 如角分辨光电子能谱 ， 非弹性中子散射 ， 扫描隧道显微谱 ， 共振非弹性X-射线散射 ， 核磁共振谱 ， 电子拉曼散射 ， 光电导谱等等 ， 无一例外是因为高温超导机理研究的需要而在最近三十多年时间里实现了跨越式的发展 。 （后文将对这几种方法进行简要介绍 。 ）
四 超导机理研究的辉煌历史与新时代的挑战
二十世纪对于物理学来说是一个神奇的世纪 。 许多人类早已司空见惯的现象只有到了这时才有可能真正理解其原理 。 例如 ， 人类认识磁性现象已有几千年 ， 但是只有等到量子力学和相对论都建立之后 ， 人们才能理解宏观物质的磁性究竟由何而来 。 量子力学的先驱玻尔于1911年从形式上证明了经典统计物理系统不可能出现磁性 ， 正好是他提出著名的氢原子理论的两年前 。 要完整地理解宏观物质的磁性 ， 我们还需要等待电子自旋以及海森堡交换作用这些概念的出现 ， 而这些概念则是量子力学与相对论协调的必然结果 。
与理解磁性现象相比 ， 人们对超导现象的理解走了另一个极端 。 超导现象也发现于1911年 ， 而理解这种现象所需的量子力学正是发端于两年后玻尔在氢原子理论上的突破 。 从某种意义上来说 ， 玻尔用于量子化氢原子能级所引入的角动量量子化假设已经触及了超导问题的核心 。 这种历史的巧合实在令人惊叹 ， 也许正是大自然对于人类从十九世纪末到二十世纪初那几十年里为挽救经典物理的危机而进行的痛苦挣扎与求索的集中回报吧 。
二十世纪许多著名物理学家都曾研究过超导现象 。 最早取得实质性突破的是两位德国人 ， 即H. London和F. London兄弟 。 他们从超导现象的电磁表现入手 ， 经过推理 ， 发现超导现象起源于超导体中电子波函数的量子刚性 。 这个推理分为以下四步：
首先 ， London兄弟提出超导体的理想导电性可以理解为超导体中电子在电场下的自由加速 。 这就是London第一方程的内容 。
第二步 ， 他们认为超导体的完全抗磁性可以理解为超导体在外磁场的作用下诱导的抗磁电流的磁屏蔽效果 。 这就是London第二方程的内容 。
London第一方程很直观 ， 即使高中生都可以写下来 。 London第二方程相对抽象一些 。 这里用类比的方式加以说明 。 我们知道 ， 按照毕奥-萨法定律 ， 电流将按照右手螺旋定则在其周围产生一个涡旋磁场 。 如果假设作用在超导体上的外磁场可以按照左手螺旋定则在其周围产生一个涡旋型的抗磁电流的话 ， 那么这个抗磁电流产生的磁场的方向将与外磁场方向相反 ， 从而起到屏蔽外磁场的作用 。 实际上 ， 由于这种屏蔽效应 ， 外磁场只能穿透超导体表面很薄的一层（通常大约是微米的量级） 。 在足够厚的超导体内部 ， 磁感应强度严格为零 。 这就是完全抗磁性 。


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