中国科学院物理研究所的赵忠贤、陈立泉等13位研究人员,首次发现在液氮温区100K以上条件下的超导体,在超导材料研究方面获得新的重大突破。这项具有极大研究和应用意义的科研成果,是1987年2月24日由中国科学院数学物理部主任章综研究员在新闻发布会上宣布的。
所谓“超导”,是指导电材料在一定条件下电阻变为零的性质。从理论上讲,电流在超导体中传输将不会有能量损失。这是一种具有极大经济效益的理想传输状况。1911年,荷兰科学家昂内斯在水银中首次发现了超导现象。从此之后,各国物理学家便开始了探寻超导体的艰辛之路。半个多世纪以来,世界上已发现包括水银在内的26种化学元素和几千种合金与化合物都具有超导电性。科学家把某种材料从有电阻变为无电阻时的温度称为它的转变温度。这个温度以绝对零度(-273%)为基点计算,绝对温度以上多少摄氏度即表示为多少K。而当年荷兰科学家发现水银的转变温度为4K,即一269~C,这种极低温度使它很难具有实用价值。直到1973年,美国科学家测得铌三锗的转变温度为23K,才使较低的转变温度有所提高。以后的13年中,世界上有200多个实验小组进行了努力,虽然超导的转变温度没有提高但积累了相当丰富的经验,培养训练了一支精干的研究队伍。
到1986年4月,瑞士IBM实验室的科学家柏诺兹和谬勒等人提出报告,认为钡镧铜氧化物可能是高转变温度的超导体,并发现它在30K情况下可能存在超导性。这给从事超导研究的科学家们以极大鼓舞。从此,超导研究呈现一片繁荣景象。1986年年底,美国报纸报道休斯敦大学朱经武教授发现钡镧铜氧系列材料的转变温度达40.2K,不久又报道了华裔科学家朱经武、吴茂昆发现98K情况下的超导体。
我国对超导体研究也很重视。从60年代开始,我国科学家独立研究超导体,并已有几种超导材料达到实际应用水平。有的制作工艺还曾荣获国家发明奖。1975年,中国科学家提议,把探索高转变温度超导体列入国家重点科研项目。并对超导研究的国际动向和超导技术的应用前景作了详细的分析,在分析的基础上提出了我国超导研究的初步设想。1976年召开了第一次全国高转变温度超导会议,此后每两年召开一次。1977年制定全国规划时,又将超导研究列为全国凝聚态物理研究的五项重点之一。这样,通过我国科学家的不懈努力,在吸收国外成果的基础上,我国科学院物理所的科研人员终于取得了令人振奋的成果。他们在实验中采用的新超导材料,是主要成份为钡钇铜氧4种元素的改进的钡基氧化物。测量结果表明,这种材料超导中点转变温度为92.8K,转变宽度为4K,起始转变温度在100K以上(电阻线过渡到非线性的变化在110K附近),出现零电阻的温度为78.5K。这是长期以来国内外科学界梦寐以求的首次在液氮温区获得的超导体。首次利用低成本的液氮为冷却剂发现新超导材料,把国外学术界认为要到2000年才能实现的目标大大提前了。这一突破性的成果还可能带来许多学科领域的革命,它将对电子和仪器工业发生重大影响,并为实现电力超导传输、数字电子学革命、制造大功率电磁铁和新一代粒子加速器,以及医学上的磁共振成像等提供了可能。
从这一重大突破开始,中国超导研究战线上捷报频传,令人喜不胜喜。3月10日,专家审查认定了中国科技大学获得的液氮温区超导体超导起始转变温度在110K以上,超导转变中点温度为90K,转变宽度为4K,转变区电阻下降大于4个数量级的科研成果。专家认为科技大学公布的参数是超导起始转变110K以上,但实际上明显偏离线性的绝对温度已达130K的水平,而且测试结果在经过多次热循环后是可重复的,说明这种超导材料具有一定的稳定性。
中国科学院物理研究所的科研人员,在获得高转变温度新型超导体的同时,研制了超导薄膜和分析了新超导体的晶体结构。他们研制的超导薄膜,超导起始转变温度达89.5K,中点转变温度55K,零电阻温度20K,在超导转变区域电阻下降5个数量级,有明显抗磁性,在国际超导研究中处于前列。制作超导薄膜材料是超导技术走向实用化的主要途径之一,超导薄膜可以直接用于制作超导电子器件。稍后,北京大学又成功地研制出零电阻为60K的超导薄膜。这一研究成果把高临界温度超导体应用于电子元器件方面,推进了一大步,对发展高精密的电磁测量器件与研制新一代的电子计算机有重要意义。
而此时,中国科技大学超导体研究又前进了一步,在钡钇铜氧多晶烧结体上达到电阻明显偏离线性的起始转变温度为215K,转变区中点温度93K,转变区宽度2.5K。转变区电阻下降大于4个数量级,而且经过多次热循环,测试数据重复性好,样品稳定。这项成果是中国科技大学物理系和应用化学系的张其瑞教授、钱逸泰副教授和陈祖耀讲师等在学校许多部门支持下,带领研究组的老师、研究生共同努力取得的。
3月31日,《人民日报》又报道,吉林大学物理系在对他们烧制的超导材料的测试中发现,此类超导材料的磁化率随着温度的变化出现顺磁、抗磁交替变化的现象。这一新发现对此类材料超导机理的探讨具有重要价值。
中国在超导体研究方面的一系列重大突破,使国际上超导研究沉寂10年之后又重放异彩。极大地推动了世界各国超导研究的步伐,也显示了中国人民是有信心有力量改变科学技术落后面貌的。