主题：【文摘】走过超导之路(1)----缘起 -- 稍息

走过超导之路(2)----超导的实验现象

元江

自老库在1911年宣布发现超导电性以来，已经过去了九十多年，

期间关于超导性质的实验和理论研究高潮迭起。能够标志性地

描述初期超导的实验现象有这样几个。

第一个当然是老库宣称的“完全导电性”，这个完全导电性的

意义并不只是在零电阻，它的主要特徵是一种金属是怎样从有

电阻态达到无电阻态的，也就是讲这个电阻趋零的过程对我们

理解超导的帮助大於零电阻这一结果本身。老库发现，随着温

度的降低，一种金属的电阻固然也是在降低，但是到了某一温

度(以后称之为临界温度，Tc)，金属电阻的下降是突然掉到零，这

就象一个人本来是从高处沿着楼梯逐渐往下走，突然失足后

从楼梯上跌到地面一样。

第二个实验揭示了超导特有的磁现象。一块超导材料，让它进

入超导状态(降低温度使其低于临界温度)，随后外加一个磁场，

迈斯纳与奥森费尔德发现，磁场不能穿过超导状态下的导体，而

对於正常状态下的导体，磁场应该是能穿过它的。这一个效应后

来被称之为迈斯纳效应，或者叫完全抗磁性。完全抗磁性并不是

在任何磁场强度下都存在，当磁场强度加到一定值时，超导状态

会消失，导体回到正常金属状态，而磁场也就可以穿过导体。这就说

明这种完全抗磁性是超导状态特有的。由此也可引出另一个概念，叫做

临界磁场(Bc)。这个实验结果是在1933年发表的。超导态下的磁现象

后来又有了进一步的扩展，但那是发生在理论预言之后，我就留在

后面再介绍。

本来还有一个揭示超导状态热力学现象的实验可以排在迈斯纳效应

之前，原苏联的科学家，舒布尼柯夫，曾经做了这个实验，但可能

是材料选取或制备不当，舒布尼柯夫没能得出有意义的结论。到1941

年，由老库的学生Keesom(基萨母)测出了导体在正常和超导两态间转化时

的比热异常。基萨母的实验数据说明在导体从正常态到超导态转变时，

导体作为一个整体发生了第二级相变。看到过一瓶水结成冰么？水结

成冰就是一种常见的相变。不过，水结成冰时有热量排出来，这种相变

称为一级相变。而两级相变时体系与外界是无热量交换的，但体系是进

入一个新的热力学状态。

到1962年，约瑟夫逊提出可以用量子力学方法来研究超导体，他研究的

对象是SNS结，也就是一层超导，一层非超导金属和又一层超导组成的

三明治。这种SNS的几何尺度要比单个氢原子大得多，可以看作宏观物体。

约瑟夫逊的理论结果得到了实验证实，于是超导也被确定为宏观量子现

象。据说，目前超导的工业产品中，基于这种宏观量子现象的超导干涉仪

占了很大的份额。

涉及超导的实验多如牛毛，我在这里选取的实验既是超导发展史上的几个

里程碑，也是为了让大家明白超导的复杂性。只要是读过一点物理的读者

都知道，物理的知识是分类的，力学，热学，电磁学，光学等，高级一点

的就到了量子力学。而从上面叙述的实验事实就可以看到，超导作为一种

物理状态，同时兼有电，磁，热，量子现象。这对做理论的物理学家是一

个挑战，一个成功的，能应用的理论应该能准确地描述以上各种现象，而

从探索自然的角度来看，一个成功的理论又应该能够说明超导状态是如何

出现的。

我在这里提一下，我所介绍的超导实验和理论，都是所谓低温超导。