1987年諾貝爾物理獎(jiǎng)

1、1987年諾貝爾物理獎(jiǎng)一一高溫超導(dǎo)電性1987年諾貝爾物理獎(jiǎng)授予瑞士 IBM 研究實(shí)驗(yàn)室的德國物理學(xué)家柏諾茲（J.Georg Bednorz,1950）與瑞士物理學(xué)家繆勒（K.Alexander Muller，1927）， 以表彰他們?cè)诎l(fā)現(xiàn)陶瓷材料中的超導(dǎo)電性所作的重大突破。高臨界溫度超導(dǎo)電性的探索是凝聚態(tài)物理學(xué)的一個(gè)重要課題。自從發(fā)現(xiàn)超導(dǎo) 電性以來，人們逐漸認(rèn)識(shí)到超導(dǎo)技術(shù)有廣泛應(yīng)用的潛在價(jià)值，世界各國花了很大 力氣開展這方面的工作。但是超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度太低，離不開昂貴的液象設(shè)備。所以， 從卡末林-昂內(nèi)斯的時(shí)代起，人們就努力探索提高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變臨界溫度Tc的途徑。在探索高T超導(dǎo)體的漫長歷程中，人們基本

2、上是靠實(shí)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)摸索前進(jìn)。 理論起的作用往卷不大。這也許是因?yàn)槌瑢?dǎo)現(xiàn)象比較復(fù)雜，理論尚欠完善的緣故。為了尋找更適于應(yīng)用的超導(dǎo)材料，幾十年來，物理學(xué)家廣泛搜查各種元素的 低溫特性。除了汞、錫和鉛以外，又發(fā)現(xiàn)錮、鉈和鎵也有超導(dǎo)特性，這些材料都 是金屬，而且具有柔軟易熔的共同性質(zhì)，后來邁斯納把試驗(yàn)擴(kuò)展到堅(jiān)硬難熔的金 屬元素，又發(fā)現(xiàn)了鉭、鈮、鈦和釷等金屬具有超導(dǎo)特性。當(dāng)磁冷卻法應(yīng)用于低溫 后，在極低溫區(qū)（1K以下）又找到了許多金屬元素和合金有超導(dǎo)跡象。如今甚 至已經(jīng)知道上千種物質(zhì)的超導(dǎo)特性，可是，它們的轉(zhuǎn)變溫度都在液象溫度附近或 在1K以下。第一個(gè)被找到的超脫液象區(qū)的超導(dǎo)材料是氮化鈮（NbN），其臨界

3、溫度可達(dá) 15 K，是德國物理學(xué)家阿瑟曼（GAscherman）在1941年發(fā)現(xiàn)的。于是重新激起 了人們的熱情。NbN曾用于紅外探測器件。1953年，美國物理學(xué)家哈迪（GF.Hardy）和休姆（J.Hulm）開辟了另一條 新路，他們找到了四種A-15結(jié)構(gòu)或P鎢結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)體，其中釩三硅（VSi）的； 臨界溫度最高，達(dá)17.1K。所謂A-15結(jié)構(gòu)是一種結(jié)晶學(xué)符號(hào)，它代表的化學(xué)組 成一般為AB的形式，其中鈮（Nb）、機(jī)（ V）等過渡元素為A組元，第II或第 -3 ,IV王族的元素或其它過渡元素為B組元。貝爾實(shí)驗(yàn)室的馬賽阿斯（B.T.Matthais）沿著這一線索堅(jiān)持了長期的探索。 他和他的同事圍繞A

4、-15結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)，總結(jié)出了一些經(jīng)驗(yàn)規(guī)律，收集了 大量數(shù)據(jù)。并于1954年找到了鈮三錫（Nb S ）, T為18.3 K。 1967年備制了 組成非常復(fù)雜的鈮鋁錯(cuò)合金，T為20.5K; 31973年進(jìn)一步獲得鈮三錯(cuò)薄膜，T 提高為23.2K。照這樣的速度發(fā)展下去，人們大概可以指望到1990年將超導(dǎo)臨 界溫度提高至30 K附近的液氖區(qū)。令人遺憾的是，他們持續(xù)的努力沒有取得進(jìn)一步成果。1973年以后的13年， 臨界溫度一直停滯不前。世界上還有許多物理學(xué)家研究其他類型的超導(dǎo)體，諸如有機(jī)超導(dǎo)體，低電子 密度超導(dǎo)體、超晶體超導(dǎo)體、非晶態(tài)超導(dǎo)體等等，其中金屬氧化物超導(dǎo)體吸引了 許多人的注意。金屬氧化

5、物也是馬賽阿斯研究的項(xiàng)目。1967年他和倫梅卡(J.P.Remeika) 等人共同發(fā)現(xiàn)了 Rb WO的超導(dǎo)特性。隨即休姆等人在1968年發(fā)現(xiàn)TiO的超導(dǎo) 特性，不過T都在x10 K3以下。1973 年約翰斯通(D.C.Johnston)發(fā)現(xiàn) Li Ti O 的 T 達(dá) 13.7 K。1 七 2-x 4 c令人不解的是，金屬氧化物一般都是非導(dǎo)體，可是某些組成卻可以在低溫下 變成超導(dǎo)體，這個(gè)事實(shí)確是對(duì)現(xiàn)有的物理學(xué)理論的挑戰(zhàn)。人們只有在經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ) 上摸索前進(jìn)。沒有想到，正是這一條朦朧不清的道路引導(dǎo)了繆勒和柏諾茲對(duì)高T超導(dǎo)體 的研究作出了突破性的進(jìn)展。C繆勒是國際商用機(jī)器公司(IBM )蘇黎世研究實(shí)驗(yàn)

6、室的研究員、物理部的負(fù) 責(zé)人，他多年來一直在材料科學(xué)領(lǐng)域，特別是電介質(zhì)方面進(jìn)行卓有成效的研究。 他對(duì)超導(dǎo)體也很熟悉，1978年就開始作過研究，課題是顆粒超導(dǎo)電性。純鋁的 Tc是1.1K，如果鋁的顆粒被氧化物層包圍，顆粒系統(tǒng)的Tc可提高到2.8K。柏諾茲是德國年輕的物理學(xué)家，1976年畢業(yè)于明斯特(Munster )大學(xué)，然 后到瑞士聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)當(dāng)研究生，在IBM蘇黎世研究實(shí)驗(yàn)室做博士論文，指導(dǎo) 教師之一就是繆勒。1982年柏諾茲獲博士學(xué)位，留在IBM從事研究工作。從1983年起，繆勒和柏諾茲合作，探索金屬氧化物中高T超導(dǎo)電性的可能 c性。從BCS理論可以作出這樣的推測：在含有強(qiáng)的電-聲耦合作用

7、的系統(tǒng)中，有 可能找到高T超導(dǎo)材料。他們認(rèn)為，氧化物符合這一條件。于是就選擇了含有 鎳和銅的氧化物作為研究對(duì)象。在這方面他們進(jìn)行了三年的研究，取得了很多經(jīng) 驗(yàn)。其實(shí)，這方面的工作早在70年代就已經(jīng)有人在做。他們的突破在于從金屬 氧化物中找到領(lǐng)銅銅氧的化合物，這是一種多成份混合的氧化物。1985年，幾位法國科學(xué)家發(fā)表了 一篇關(guān)于領(lǐng)銅銅氧(Ba-La-Cu-O )材料的 論文，介紹這種材料在室溫以上具有金屬導(dǎo)電性。正好這時(shí)繆勒和柏諾茲因?qū)嶒?yàn) 遇到挫折需要停下來研究文獻(xiàn)資料。有一天柏諾茲看到了這篇論文，很受啟發(fā)， 立即和繆勒一起，對(duì)這種材料進(jìn)行加工處理，終于在1986年1月27日取得了重 要成果。他

8、們?cè)诨貞涍@一過程的文章中寫道：“在我們實(shí)驗(yàn)室里，超導(dǎo)電性的研究始于1983年盛夏。我們的努力首先集中 在含Ni3+的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)物質(zhì)，例如LaNiO和LaAlO等的混合晶體，這些工作沒 有發(fā)表。我們測量了按不同比份組合的二價(jià)或三價(jià)氧化物的金屬特性。在冷卻后， 它們顯示低溫下具有區(qū)域性(localization), 但沒有任何超導(dǎo)跡象。到了 1985年深秋，力量轉(zhuǎn)移到含銅化合物，例如LaCuO。因?yàn)镃U3+在 eg支殼層里有兩個(gè) 電子，這些支殼層處于半填充狀態(tài)，所以基態(tài)并沒有簡并。這表明了，有必要去 試試混合的CU2+/CU3+或CU3+/CU4 +的氧化物?！薄斑@時(shí)，我們得知米歇爾（Michel

9、）、歐-拉柯（er-Rakho）和拉威（Raveau） 的關(guān)于混合鈣鈦礦型BaLa Cu4的論文。這種化合物正好符合所需化合價(jià)的 要求。論文的法國作者查明4了這一混合氧化物在室溫和更高的溫度下是金屬，含 有CU2+和CU3+。于是我們就嘗試進(jìn)行重復(fù)備制這種化合物，并且同時(shí)通過改變 BaLa Cu O 中的Ba濃度來不斷改變Cu2+/Cu3+之比，以探討其超導(dǎo)電性。 在我們實(shí)驗(yàn)室:滬樣品是用共沉淀法從硝酸Ba-La-Cu水溶液備制的。把草酸當(dāng)作 沉淀劑加入水溶液中即形成相應(yīng)的氧化物混合體，沉淀物的分解和固化是在 900。下加熱5小時(shí)進(jìn)行的。生成物經(jīng)研磨，在4x108 Pa下壓成片狀，然后在900

10、C 下燒結(jié)。我們用四端法對(duì)電阻進(jìn)行直流測量，電流密度約0.5 A/cm2。一般說來， 我們觀察到了高溫電阻特性，在更低的溫度下電阻有所增加。再進(jìn)一步冷卻，p （T）急驟下降，對(duì)大電流曲線略為偏低。我們研究了急驟下降部分跟退火條件 及領(lǐng)含量的函數(shù)關(guān)系。用這些方法起始轉(zhuǎn)變溫度可移至35 K?！?986年4月.柏諾茲和繆勒向德國的物理學(xué)雜志投寄題為：“Ba-La-Cu-O 系統(tǒng)中可能的高T超導(dǎo)電性”。他們只是說可能有，一方面是因?yàn)樯形磳?duì)抗磁性 進(jìn)行觀測，另一方面也是出于謹(jǐn)慎。在此之前曾有過多次教訓(xùn)，不止一次地有人 宣布“發(fā)現(xiàn)”了高T超導(dǎo)體，后來都證明是某種假象所誤。不久，日本東京大學(xué)的幾位學(xué)者根據(jù)I

11、BM配方備制了類似的樣品，證實(shí) Ba-La-Cu-O化合物具有完全抗磁性。繆勒和柏諾茲隨即也發(fā)表了他們的磁性實(shí) 驗(yàn)結(jié)果，不過論文到1987年才問世。一場國際性的角逐在1987年初展開了，柏諾茲和繆勒的發(fā)現(xiàn)引起了全球性 的“超導(dǎo)熱”。圖87-1就是柏諾茲和繆勒在諾貝爾獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)演說詞中的一張示意 圖。100r Tc(K)Y-Ba-Cu-090803987年W月 r休斯頓世界各地1910 1930 1950 1970 1990圖87-1柏諾盆和醪勤在諾貝爾獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)演說詞中的一張示意圖繆勒1927年4月20日出生于瑞士的巴塞爾（Basle）。19歲曾在瑞士軍隊(duì) 中接受軍事訓(xùn)練，然后進(jìn)入蘇黎世瑞士聯(lián)邦工業(yè)學(xué)

12、院。在他入學(xué)之前正值第一顆 原子彈爆炸，因此一年級(jí)時(shí)許多同學(xué)都對(duì)核物理發(fā)生了興趣。舒勒（P.Scherrer） 教授的生動(dòng)講課，大大提高了學(xué)生對(duì)核物理的興趣，吸引他把終生投入了物理學(xué)。 其它課程，雖然分?jǐn)?shù)很高，但都對(duì)他沒有如此深的印象。他曾一度想讀電機(jī)工程， 但物理實(shí)驗(yàn)老師說服了他。后來又有一位杰出的教授，使他最后下決心從事物理 學(xué)研究。這位教授就是量子物理大師泡利。他的大學(xué)畢業(yè)論文是在布什（GBusch） 指導(dǎo)下做的，內(nèi)容是研究灰錫的霍耳效應(yīng)。在取得學(xué)士學(xué)位之后，他曾到聯(lián)邦工 業(yè)學(xué)院的工業(yè)研究部工作過一年，然后回到布什名下做博士論文，內(nèi)容是順磁共 振（EPR）。在這項(xiàng)工作中他第一次注意到合成

13、的SrTiO。1958年繆勒在瑞士聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)獲得博士學(xué)位后，3來到日內(nèi)瓦巴特爾（Battelle）研究所工作，后來成了核磁共振組的主任，在這里進(jìn)行了化合物分 析，特別是研究了石墨和堿金屬石墨的輻射破壞。該研究所所長西曼 （H.Thiemann）博士有著強(qiáng)烈的個(gè)性，總是重復(fù)這樣一句話：“應(yīng)該尋找異常情 況?！边@一句話對(duì)繆勒有深刻印象。1963年繆勒到國際商用機(jī)器公司（IBM）的蘇黎世研究實(shí)驗(yàn)室，繼續(xù)從事 物理學(xué)研究。在這之前的1962年他被任命為蘇黎世大學(xué)講師，1970年升任教授。 他到蘇黎世大學(xué)是經(jīng)布蘭（E.Brun）教授的推薦，布蘭教授正在組建一個(gè)強(qiáng)大的 核磁共振研究組。正是由于有了講師的

14、資格，繆勒才有機(jī)會(huì)到IBM蘇黎世研究 實(shí)驗(yàn)室當(dāng)研究組的成員，后來還到IBM在美國紐約州的紐約城高地（Yorktown Heights）的華生研究中心工作了兩年，以后就一直在IBM蘇黎世研究實(shí)驗(yàn)室工 作。在十幾年中，他的興趣放在SrTiO3和有關(guān)的鈣鈦礦化合物，這項(xiàng)研究涉及 各種摻雜的過渡金屬離子及其化合物的變色特性、鐵電性和軟模特性、后來還特 別涉及機(jī)構(gòu)性相變的臨界現(xiàn)象和多重臨界現(xiàn)象。與此同時(shí)，羅雷爾（H.Rohrer） 也在研究GdAlO反鐵磁系統(tǒng)的這類性質(zhì)。繆勒在美國期間，羅雷爾和賓尼希3（GBinnig）發(fā)明了隧道掃描顯微鏡，而賓尼希的聘任工作，是繆勒還沒有去美 國之前和大家一起商定的，

15、他當(dāng)時(shí)是IBM蘇黎世研究實(shí)驗(yàn)室物理部主任。他從 美國回來后，也立即投入了掃描隧道顯微鏡的研制，賓尼希和羅雷爾于1986年 獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，而繆勒和柏諾茲緊接著于第二年因高溫超導(dǎo)電性的研究獲諾 貝爾物理獎(jiǎng)。連續(xù)兩年，有四人得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，這對(duì)于IBM研究實(shí)驗(yàn)室真 是莫大的榮譽(yù)。柏諾茲1950年5月16日出生于德國威斯特瓦的諾因基星。他曾在明斯特學(xué) 化學(xué)，后又學(xué)礦物學(xué)和晶體學(xué)，這些基礎(chǔ)知識(shí)在后來超導(dǎo)電性的研究中發(fā)揮了很 好的作用，為柏諾茲研制陶瓷超導(dǎo)材料打下了扎實(shí)的基礎(chǔ)。1972年柏諾茲向瑞 士政府申請(qǐng)，到IBM公司設(shè)在瑞士里希利肯的蘇黎世研究實(shí)驗(yàn)室實(shí)習(xí)兩個(gè)月， 從此他和這個(gè)實(shí)驗(yàn)室建立了長期的聯(lián)系。1976年2月6日，柏諾茲從明斯特大 學(xué)畢業(yè)，移居瑞士蘇黎世。1977