-
1 # 可靠的同志
-
2 # 飛賊克斯和康德馬特
超導的發現得益於20世紀初低溫物理的發展。
當時人們已經很清楚金屬材料的電阻率隨溫度的下降而減小,但對於低溫下金屬電阻如何變化卻不是很清楚。由於沒有低溫環境用於實驗,人們紛紛猜測金屬電阻的低溫行為。其中馬西森認為金屬電阻率會持續減小到一個剩餘電阻率,因為金屬中雜質和缺陷造成的電阻是不會隨溫度變化的,而原子振動造成的電阻將隨溫度下降而逐漸變為零;開爾文勳爵則認為,低溫下即使是電子也將被“凍住”,電子的運動能力將大大受限,使得導電能力降低,電阻率在低溫下反而會急劇增加;杜瓦則認為,如果我們能夠尋找到一個沒有雜質和缺陷的“完美金屬”,那麼剩餘電阻率也是零,所以電阻率將隨著溫度逐漸趨於絕對零度而變為零。
為了驗證電阻率到底在低溫下如何演變,最關鍵的就是獲得低溫環境。在當時獲得低溫的辦法就是利用各種氣體加壓液化,然後再減壓制冷。如在一個大氣壓下液氧沸點是90 K,液氮沸點是77 K,因此透過加壓液化可以輕鬆分離空氣中的氧氣和氮氣。液氮也可以進一步減壓致冷,達到50 K左右的低溫環境。在1908年之前,根據理想氣體狀態方程的理論,當時發現的幾乎所有氣體都陸續被加壓液化了,最後只剩下氫氣和氦氣未能液化,問題就出在理論上。荷蘭萊頓大學的範德瓦爾斯(就是那位範德華,分子間作用力用他命名)在博士期間就提出了一個新的氣體狀態方程,充分考慮了氣體分子之間的相互作用,修改了理想氣體狀態方程(後來獲得了諾貝爾獎)。後來範德瓦爾斯去了荷蘭阿姆斯特丹大學,但萊頓大學迎來了另一位實驗物理學家——海克.卡末林.昂尼斯,立志要建立一個低溫物理實驗室,目標就是把最後的氫氣和氦氣液化。昂尼斯在範德瓦爾斯的理論指導下,認識到要讓氫氣和氦氣液化,最重要的就是要讓它們不斷突然膨脹對外做功,也就是不斷節流減壓。在1898年,昂尼斯實驗室成功獲得了液氫,常壓下沸點是21 K(杜瓦也獨立製得了液氫)。有了液氫作為低溫環境,就可以從21 K以下的氦氣出發,讓它繼續透過各種管道隧道實現低溫節流減壓。終於在10年後的1908年7 月10日,昂尼斯實驗室獲得了第一股透明的液氦,在常壓下沸點為4.2 K。利用液氦自己還可以再進一步減壓制冷,可以得到1.5 K左右的低溫。這在當時已經認為是非常接近絕對零度了。
有了1.5 K如此低溫的物理環境,昂尼斯開始思考關於金屬電阻率隨溫度變化的問題,他個人更傾向於認同杜瓦的觀點。於是昂尼斯開始率領團隊測試各種材料的低溫電阻行為。起初他們選擇都是室溫下導電極好的金、鉑及其合金等,其中鉑是室溫電阻率最低的單質金屬。測量了多個金屬材料在低溫下電阻後,他們發現結果都是存在一個剩餘電阻率,基本上和馬西森的預言一致。為了進一步尋找完美金屬,昂尼斯選擇了金屬汞,常溫下是液態,透過蒸餾可以得到純度極高的樣品,而且在室溫下液體裝入測量管道非常方便,然後冷凍到低溫自然變成固體。正是昂尼斯這個選擇,促使了第一個超導體的發現。
1911年4月8日,萊頓大學低溫物理實驗昂尼斯團隊的Gerrit Flim、Gilles Holst和 Cornelius Dorsman和往常一樣,早早就過來實驗室準備測量金屬汞的低溫電阻。昂尼斯隨後過來檢查液氦情況,確保中午時分可以順利開展實驗。大約在下午4點左右時候, Gilles Holst和 Cornelius Dorsman發現汞的電阻在3 K時幾乎測不到了,而金的電阻則仍然存在。起初他們懷疑是實驗儀器出了故障,或者測量短路了,昂尼斯也要求他們反覆檢查測量過程和裝置。又經過數天重複實驗,他們終於確定在液氦沸點4.2 K以下的時候,汞的電阻確實突然降到了零,也即超出了儀器的測量精度範圍(0.00001 Ω)。1911年11月,昂尼斯在荷蘭萊頓大學學報上報道了這一現象,並將其命名為“超導”,意指“超級導電”。這就是第一個超導體——金屬汞的發現過程。
金屬汞在4.2K下電阻突然消失的現象非常令人吃驚,因為這和之前預測的低溫電阻變化三種行為都不符合,電阻完全可以在有限溫度下消失,未必需要降到零溫。昂尼斯團隊為了證明電阻真的是降到零,在隨後的數月時間裡,都在不斷重複實驗驗證結果,並測量其他金屬如鉛和錫,也同樣發現了類似現象,只是發生超導的溫度不一樣。即使如此,萊頓實驗室也還在不斷嘗試測量超導體的低溫電阻率。一直到到1932年,此時昂尼斯已經去世6年了,Gerrit Flim還在倫敦努力重複這個實驗,證明200 A強電流情況下超導鋁塊仍然測量不到電阻。如今,利用精確的現代測量技術,已經可以證明超導體電阻率低於10^-18 Ω.m,相比導電性極好的常規金屬電阻率10^-8 Ω.m,整整低了10個數量級。倘若在超導環內形成1 A的電流,能夠永遠保持超導狀態不變的話,那麼至少需要一千億年才能徹底衰減掉。因此,在最高實驗技術精度下,超導體電阻率可以認為就是零。
因為液氦的成功製備和超導的發現,昂尼斯獲得了1913年的諾貝爾物理學獎。昂尼斯的成功其實背後有許多不可忽視的重要因素。一是當時研究已經走到了迫切需要低溫物理環境的地步,而且確實人們希望認識低溫下的物性,即有天時;二是範德瓦爾斯建立的方程有效解決了理想氣體方程的侷限性,同在荷蘭的他給了昂尼斯正確的理論指導,可謂是地利;三是昂尼斯有一個非常踏實的實驗團隊,他的工程師Flim對他忠心耿耿,一輩子只做低溫物理實驗測量超導現象,他的助手Holst和 Dorsman也是勤懇踏實,如果不是後人回憶,甚至沒有人記得這三個人的名字,這可謂是人和。事實上,當時世界物理研究中心就在德語區,包括德國、荷蘭、瑞士等,許多物理大牛都是昂尼斯的好朋友。在一個普通的週末,昂尼斯就能邀約愛因斯坦、厄倫菲斯特、外爾、郎之萬、範德瓦爾斯等數位頂級的物理理論大師來家裡做客聊天討論物理。這不僅促成了超導的發現,也使得這個發現迅速被世人所認識,並迅速獲得了諾貝爾獎。
回覆列表
超導現象的發現者——昂尼斯 卡末林·昂尼斯(Kamerlingh Onnes,1853—1926),荷蘭物理學家。1853年9月21日生於荷蘭的格羅寧根,父親哈姆·昂尼斯是格羅寧根附近一所磚窯的主人,母親安娜·柯爾絲是阿納姆鎮的一位建築師的女兒。1926年2月21日卒於荷蘭的萊頓。因製成液氦和發現超導現象1913年獲諾貝爾物理學獎。