奇异的低温世界，超导与超流

图1.1 低温世界

这里要给大家介绍的超导电性是在低温条件下物质所表现出来的奇异特性之一。在日常生活中一提到低温，人们往往会想到千里冰封万里雪飘的北国风光，在我国北方度过了童年时代的人们更会浮想起许多愉快的儿时往事：玻璃窗上美丽的冰花图案、雪球大战、白雪老人……我们也会想到人类的老祖先曾经和漫长严寒的冰期做过多少万年的艰苦斗争啊！然而，劳动创造了世界的文明和财富。经过漫长的历史岁月，人们早已战胜了普通的冰雪低温。在现代除了探索地球南北极大自然的奥秘外，摆在物理学家面前的一个任务已经是向更低的温度进军了。那么，这个低温是指什么呢？我们不妨重温一下从19世纪末开始的有意义的一段历史插曲。设想它是一组“低温世界”的银幕电影：

电影银幕把我们带进了19世纪末。字幕告诉我们当时的一些科学新闻：

1895年，一度曾被视为“永久气体”的空气被液化了！

1895年在大气中发现氦气。

1898年杜瓦第一次把氢气变成了液体氢，又一个“永久气体”被征服了。

请看在一个大气压下这些原以为是“永久气体”的液化点：

空气　-192℃。

氢气　-253℃。

在液空、液氢的基础上，已经进入零下259℃的低温区！可是，还不能液化氦气。

影片解说员告诉我们说：在19世纪中叶，人类对于热现象规律的研究正经过了一个动人心弦的时代。经瓦特改进的蒸汽机在19世纪已在工业上得到广泛应用，使工业发生了飞跃进展。与此同时，由于生产上对蒸汽机效率提出了越来越高的要求，就促使人们对有关物质热性质、热现象的规律做深入的研究，从而推动了热学实验的发展。在大量科学实验的基础上建立了热力学第一定律（即能量转化及守恒定律），这里大家当然记得焦耳在热功当量实验工作中所做的杰出贡献，紧接着，开尔文就注意到焦耳工作的结果与法国工程师卡诺所建立的热机理论之间有矛盾，循此建立了热力学第二定律，影片所写的19世纪末正是在热力学这两个基本定律建立之后，热的分子运动学说也取得了相当成功的发展的时代，可以想见，人们是怀着怎样的热情注意到这些基础学科的发展正不断使热力工程、物性研究、气液相变、化学反应以及低温领域等方面取得多么有效的进展啊！当然，越是看到这些理论的成功，也就越促使有心人更加审慎地以各种工作去进一步检验这些理论和假说。在这巨大历史洪流中，低温领域的宽广前景展现在人类面前，人们的足迹踏进了温度越来越低的范围。看！为了进入更低温区，许多科学家正在向使氦气液化的目标前进……

影片再现了当时的荷兰莱登实验室。在卡末林·昂内斯教授（图1.2）的领导下，这个实验室进行着有关气体液化和低温下物性方面的研究。

图1.2 卡末林·昂内斯

莱登实验室是当时为实现液化氦而工作的一个集体。我们看到实验室的成员都在紧张地工作着，他们建立了各种先进的低温设备……

1908年的一天，历史性的日子终于来到了，这一天的实验工作从早晨五点半开始一直做到夜间九点半。全体实验室工作人员都坚守在各自的工作岗位上，他们是多么渴望看到人类从没有看到过的液化氦啊！可是，氦气能够液化吗？大家都在担心着。墙上的挂钟滴答滴答地响个不停，时间在一秒一秒地消逝。人们屏住了呼吸，全神贯注地注视着液化器。终于在下午六点半，人类第一次看到了它，氦气被液化了！

初看时还有点儿令人不相信是真的，液氦开始流进容器时不太容易观察得到，直到液氦已经装满了容器，事情就完全肯定了，当时测定在一个大气压下，氦的沸点是4.25K。

卡末林·昂内斯教授把这个令人振奋的消息告诉了卓越的范德瓦耳斯教授。昂内斯表示，是范德瓦耳斯的气体液体理论使他决心把液化气体的工作坚持下去并进行到底的。莱登实验室所有的人都异常兴奋，奔走相告互相祝贺，喜讯传遍全世界。

莱登实验室全体工作人员乘胜前进快马加鞭，继续日以继夜地工作着。他们了解，如果降低液氦的蒸气压，那么随着蒸气压的下降，液氦的沸点也会相应降低（减压降温法）。这样，他们在当时获得了4.25～1.15K的低温。

当然，在无边无际的宇宙里，按我们的标准来看许多物质是处于极低温状态的，但是在地球上，人类以自己的智慧和劳动进入了奇异低温世界。人们有理由为此感到自豪，同时也期待着，在这个低温世界里会看到新的天地！

大家知道随着温度的降低，金属的导电率会变大（电阻率的倒数叫导电率）。莱登实验室的人们观察到在这么低的温度区，一些金属的电导显著增加。进而在1911年他们揭开了人类研究超导电现象的第一页。一天，当他们正在观察低温下水银电导变化的时候，在4.2K附近突然发现：水银的电阻消失了！这是真的吗？他们简直不相信自己的眼睛了。然而，多次反复的实验向我们展示了图1.3的结果。这个图的横坐标是温度，纵坐标是在该温度下的水银电阻与0℃水银电阻之比。看！在4.2K附近，水银的电阻比值从1/500下降到小于百万分之一。请注意，这个下降是突然发生的。莱登实验室当时估计，在1.5K时电阻比小于十亿分之一。毫无疑问，水银在4.2K附近，进入了一个新的物态，其电阻实际变为零。对这种具有特殊电性质的物质状态，他们定名为超导态。而把电阻发生突然变化的温度称为超导临界温度（以后以Tc表示）。随后，他们又发现了其他许多金属有超导电现象。例如锡，约在3.8K时变为超导态……

图1.3 汞在4.2K时电阻值突变

还是在1911年，昂内斯教授在实验中被另一件新鲜的现象吸引住了，大家通常都知道物体热胀冷缩的现象，但是昂内斯当时的实验表明，当液氦温度降低到2.2K附近时，液氦不但停止了收缩，反而开始膨胀了。其后他们把约在2.2K以上性质表现正常的液氦叫HeⅠ，把在这温度以下表现反常的液氦叫HeⅡ。

银幕上印出了1930年的字样。这已经是过了19年以后的莱登实验室了，开色姆等人发现了一个更怪的现象，实验室仪器中有些非常小的空隙或很细的毛细管，在温度稍高时本来连液态HeⅠ甚至气态氦都完全通不过去，可是当温度降低到约2.2K以下时，HeⅡ居然轻易地通过去了！

1932年开色姆等人又报道了HeⅠ与HeⅡ间比热有突变（见图1.4），图1.4的实验曲线形状很像希腊字母λ。所以称为λ相变。λ相变就是指从HeⅠ向HeⅡ的过渡。称该相变点温度为λ点。

图1.4 HeⅠ，HeⅡ间低温下比热的突变

1938年开色姆等人测量了液氦的黏滞系数，实验结果如图1.5所示。在λ点以下液氦的黏滞性随温度下降而迅速减小。

图1.5 λ点以下液氮黏滞性随温度变化

影片最后显示了两个物理实验。第一个实验是把两块很平的玻璃表面压在一起使中间造成一个很窄的缝隙（10^-7～10^-6米），而HeⅡ竟能以每秒几厘米的速度流过这缝隙。另一个实验是，把一个空杯子放到HeⅡ中，当HeⅡ和杯子底部接触后，HeⅡ就自动爬行上去，形成一薄层爬行膜，爬行膜可以顺着杯子表面爬进杯内，杯内液面逐渐上升，最后杯内、外液面居然相平了。

图1.6 超流体

这个短短的历史镜头就到此结束吧！

自1908年至今，人类已经渡过了九十多年。人们在低温世界里发现了许多奇异的现象，其令人神往之处不亚于南北极的冰天雪地，有胜于宇宙中的低温，因为在这里人们可以控制实验室条件，细心地观察新的事物。

在现代，液氦制冷的低温技术仍是低温领域中重要的手段，大量的实验工作离不开氦液化器。当然，在这几十年的岁月里，低温技术不断地取得新进展。

大气中的氦主要是氦的同位素⁴He，但人们发现其中有极少量的氦的同位素³He（约占百万分之一），在一个大气压下³He的沸点是3.20K，使³He液化再减压降温就可得到约0.3K的低温。另外在0.86K以下，人们发现³He与⁴He的混合液体分成两层，上层是液³He溶有少量⁴He（叫富3He相或浓相），下层是液⁴He溶有少量³Ie（称为稀相）。当温度降低时，液³He中能溶解的⁴He很快降为零，而即使接近0K在液⁴He中也能溶解约6.4%的³He。若设法把下层液体中溶解在液体⁴He中的³He不断抽走，那么，为了保持平衡，上层的3He液体就要经过界面不断向下层扩散，这与纯³He液体中的³He原子不断向空间蒸发而被抽气机抽走相似，可产生降温效应，叫稀释制冷现象。

利用这一现象，人们做成稀释制冷机，达到了0.005K左右的低温。最低可达到0.002K。还有一种降温方法，叫绝热去磁法，在绝热的条件下，减小外加磁场会导致顺磁物质温度降低；也可对原子核进行绝热去磁；还可以采取把液体³He绝热压缩为固体³He的方法；用这些手段一般可得到约0.001K左右的低温。不断向极低温区开拓的工作目前还在进行。然而，不要忘记热力学中早已总结出来的热力学第三定律。它断言，不可能使一个物体冷到0K。当然，这不妨碍我们可以无限地趋向0K，探索新奥秘。当前世界上已达到的最低温度比0K高出亿分之一度。广阔的低温前景仍然有待于我们一步一步地进行漫长的探索。低温世界里多少奇花异卉有待我们年轻一代去发现和利用啊！

本文由安静摘编自章立源著《超越自由：神奇的超导体》（2016年4月第1版）第一章，内容有删减。

978-7-03-047722-4

自1911年卡末林·昂内斯首次发现超导电以来，这一研究领域持续受到广泛关注，先后有众多科学家获得诺贝尔物理学奖，除了卡末林·昂内斯，还有超导微观理论的创始人巴丁、库珀、徐瑞弗，超导电子学领域开拓者约瑟夫森，高温铜氧化物超导体的发现者柏诺兹和缪勒，以及提出有关实用超导材料第二类超导体理论的阿布里科索夫，可见超导体研究不断出现突破性的进展，或在概念上对其他研究领域有重要启示。本书详细描述了超导体研究有关工作，并对超导应用前景进行了展望，超导的应用开发是本世纪在节能和探微方面高科技的方向之一。

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