※ [本文转录自 NTU-Karate 看板] 作者: precession (little-boy) 看板: NTU-Karate 标题: 转贴文章--「高温超导体」挑战科学家 时间: Fri Oct 17 08:33:44 2003 「高温超导体」挑战科学家 2003.9.17　中国时报 §　前言　§ 高温超导体的发现，对人类未来的生活及基本科学发展，造成深远的影响。 它们发生的机制，一直是科学家最大的疑问和挑战…。 　科学研究是为了揭开自然界的奥秘，结果几乎是少有例外地被用来导向技术 的发展，增进人类生活的品质。在刚进入21世纪的今天，「科技」已成了人们 的口头禅。但一般人对工业、农业，甚至生物，医药技术的接触或了解比较多， 谈到基本科学，就有些遥不可及了。因此在这里利用「高温超导体」为题材， 简单谈一下它对基本科学的启发。 　超导现象的发生，是指一些材料在抵达特定的温度时，(例如：钇钡铜氧在 摄氏零下一百八十度或绝对温度九十三度)，电阻突然下降到零。在科学领域 里，这种「非连续性」的自然现象，属於「相变」。相变看起来似乎相当「不 自然」，但实际上我们在日常生活中，不时见证它们的发生。例如：气态的 蒸气冷到摄氏一百度「突然」变成液态的水，而水又在零度时变成固态的冰。 其他相变包括铁磁转变(原子磁矩从高温的无序到转变温度以下的有序排列)和 反铁磁转变(相邻磁矩呈反方向的有序排列)。总括来说，自然界的相变种类 有限，但它们的发生机制，却一直是科学家最大的疑问和挑战。(不禁联想到 人文社会、人的生死、国家的兴亡、甚至政党轮替，又何尝不能视为「相变」 呢？) 1957年：超导理论出现 　有趣的是，远不及蒸发或凝固为人熟悉的超导现象，在1957年终於有了令人 满意的解释，被认为是科学界重大的成就。这个BCS理论，以三位作者(Bardeen, Cooper和Schrieffer)的姓名中第一字母组成，提出了令人惊讶的创见：超导 转变是由於个别电子形成电子对而促成。虽然如此，导致诺贝尔物理奖的理论 仍然不能很准确的预测任何物质的超导转变温度(正如我们还无法预测任何新 材料的熔点或沸点)，仍得依赖实验测定。经年累月的结果，在1980年代只提升 到绝对温度二十度左右。这些被称为「传统」超导体的应用，仰赖於液态氦的 低温，操作不易，价格高，经济价值受限。而从基本科学的角度来看，这些 物质超导的机制都属於同一类，是由电子与原子震动相互作用而产生，难道 没有其他可能的机制存在？因此许多科学家都积极努力的在搜寻更高超导转 变温度的及新超导机制的材料。 冶金史家揭开「美丽」的背後 　1987年初，一种「钇钡铜氧」化合物首次显现了在液态氮沸点以上的超导 相变。它的发现归功於当时旅居美国的华人物理学家朱经武和吴茂昆(两人 均为中央研究院院士，现在分任香港科技大学校长和中研院物理所所长)。 消息瞬间传至全球，展开国际间的竞争。几种新的但类似的「高温超导」 材料接连出现。不可讳言，这种竞争的动力，多半在於技术上的潜力。由於 液态氮来自空气的液化，操作容易，价格低。 　　超导转变温度在1987年的大幅提升，似乎也有另一种相变的架式。事实 上在超导转变温度以上「正常」金属态的许多物理现象也与大部分的金属不 同。许多传统的观念受到了严厉的挑战。 　　除了超导转变温度的大幅提升外，高温超导体材料还有很多独特的性质， 例如铜与氧形成的二维层状结构似乎是必要的，这些材料通常都不是很好的 晶体，这与传统的超导体非常的不同，它们一般要有很好的结晶体才能有较高的 超导转变温度，这点也是1957年超导理论的结果之一。而更奇怪的是这个材料 有很强的磁性，反铁磁作用力似乎相当重要。它在室温的导电性能却比很多 金属，如：金、银、铜等也都要差一些。事实上，改变某一些元素如氧的数量， 这个材料可由金属转变成绝缘体，而这个绝缘体与我们所熟悉的绝缘体并 不一样，它无法导电的原因是由於电子之间的强作用力造成电子局限於一定的 空间区域，无法在电压之下流动。 发展新的超导机制 　从以上的几个例子已经可以看出，这个高温超导体材料与我们以前已有相当 深入研究的传统超导材料有非常不一样物理性质，几乎所有的实验也都确认此 超导态的对称性也是独特的，这种种的结果都强烈的暗示着1957年所发表的 「传统超导」的机制已不适用，我们不但需要一个新的超导机制的理论，并且 也要新的理论来了解这一个新的材料在超导相变未发生之前的物理性质。 　　为了了解这个奇特的新材料，实验技巧也发展出不少新的突破，特别值得 一提的是角分析光电子能谱ARPES及电子扫描显微镜。电子扫描显微镜技术在 1982年初开始，立即在探讨奈米结构及材料表面的电子结构有重大的贡献， 二位科学家(Binnig和Rohrer) 也因此与另一位首先设计电子显微镜的Ruska 一起拿到诺贝尔物理奖。它的解析率不断被增进，尤其在超低温系统下使用， 可看到超导体表面电子的分布。如图三所示在64奈米尺寸的范围中，交叉线形 及明暗的图形代表了电子密度的分布此波状般的图形，与水面上有互相干扰的 水波图形很相似，分析这些图形可直接证实超导态的对称性及电子结构。 　　 角分析光电子能谱的原理就是光电效应，爱因斯坦解释此现象而得诺贝尔 奖。用光照射材料的表面可将电子撞出，分析射出电子的速度与角度可反推出 在材料内电子的能量与动量的关系，因而可直接观测到材料内电子的结构， 此种实验特别适合像高温超导体这类的层状材料，再加上最近几年测量角度 与速度解析度的大幅提高，使得许多微小但重要的电子结构细节皆能呈现大大 的帮助了我们了解高温超导体。 　　既然大多数实验证据都显示出这个高温超导体的材料需要新的理论，有 许多的理论已被提出，虽然现在还无一为众所接受的理论，但是几乎可确定 的是传统超导理论中的声子与电子作用产生超导的机制已不再适用，材料的 反铁磁性与超导机制必然有非常密切的关系。此导致磁性与超导的关系变成 研究超导的一个重要关键，新的超导体如锶钌氧化物、钠钴氧化物等皆一一 被陆续发现。 　　高温超导体的发现似乎类似相变，正对人类未来的生活及基本科学发展 造成持久及深远的影响。 -- 曾经沧海难为水 除却巫山不是云 取次花丛懒回顾 半缘修道半缘君 --

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