[编者按] 龚昌德同志是南京大学物理系的中年教授，几十年来，他一直从事物理学中凝聚态物理的研究，特别是超导理论的研究，取得了重大的成果。1982年，他和其他同志合作的“超导临界温度理论”荣获国家科技成果四等奖。之后他又转入其他方面的研究，并已取得成果。为此，本刊特地采访了他。现报道如下：

记者：龚教授，请你谈谈你从事的凝聚态物理学和超导临界温度理论的研究情况。

龚昌德：凝聚态物理是与材料科学，微电子技术的发展密切相联系的一门学科。这方面在我国是在1976年“四人帮”打垮后才迅速发展的。

近来，国外在固体物理、半导体物理、低维系统、低温物理和超导技术各方面发展很快，这些技术不仅用在高能物理、能源、新型材料上，也可用于微电子技术和计算机的更新，例如计算速度比目前最快的还要高出一个数量级的超导计算机正在试制中。

我是搞凝聚态物理的，即是研究多体相互关联的微观理论，而超导理论的对象是典型的相互作用的多体系统。超导物理从1911年盎纳斯（Kamerlingh Onnes）发现了超导现象以来，人们一直想利用超导的特性于技术方面的改造。因为它没有电阻，仅就这个特性就可以在很多方面引起重大突破，应用前景是很广阔的。但为什么将近有半个世纪没有在技术上得到广泛的应用？一个重要问题是超导的机制不清楚。经过1934年柯特（Goiter）和卡西密（Casimir）到1935年伦敦兄弟（F和H. London）两人，直到1950年金兹堡（инзбург）和朗道（Ландау）以及其他如商勃克和匹巴特等一大批科学家的努力，其中不少是物理学上很有成就的人，但他们的工作都没有从微观上弄清楚超导现象到底是怎么一回事。工作仅停留在唯象（表观）的阶段。所以尽管老早就认识到超导现象可以被利用来做载流极高的理想磁体，它的用途很广。但结果是事与愿违，为什么呢？因为超导电性还有一个基本现象：当金属处于超导状态，如果作用以磁场，则当磁场强度增加到一定数值以后，也会破坏超导现象。就因为这个缘故，我们利用超导体做成一个磁体能通过的电流就受到限制。事实上，当通过的电流达到某一临界值（不很大）时，电流本身产生的磁场就破坏了磁体的超导电性。怎样才能改变这个状况？由于微观机制不清楚，一直未能得到解决。到1957年，巴丁、库柏和施瑞弗（Bardeen，Couper和Schrieffer）三个人提出了他们的超导理论（简称BCS理论），才真正在微观上从多粒子的相互作用和相互关联的角度下弄清了本质。这样超导理论获得了重大的突破。

从微观角度上说，到底超导电性的微观特征是什么？也就是说标志超导态的基本单元是什么？从正常状态变到超导状态时，这些单元是怎样变化的？这些问题需要搞清楚。实际上超导电性来于电子与声子的相互作用。但是以前电子与声子的相互作用一直作为微扰来处理的，而没有把这种相互作用带来的电子间的关联效应作认真的、非微扰的处理。在BCS理论中，这个问题被很好地解决了。弄清了超导电的出现原来是电子通过声子发生了吸引相关性，结果在费米面附近的电子形成了束缚对、即库柏对，结果以费米球分布的正常费米液体的能谱结构发生了根本的变化，单粒子激发谱中出现了能隙，能隙的大小和温度'有关，于是超导电现象原来是部分参与导电过程的电子在一定温度下发生了凝聚，成为库柏对。这才是超导电性和正常态的差别的微观本质。另一个问题是标志超导电性的临界温度、临界磁场、临界电流这三个临界参数与超导体的其他正常态性质间的关系是什么？例如它们和材料的声子谱、费米面的态密度等等之间的关系。根据这些关系就能够为如何寻找高临界参数的超导材料提供指导性意见。可以从常温下这些材料的物性来预测它们在低温下的超导性质。不仅如此，由于对微观机制的了解，自然地产生如下的一类问题，如在通常的隧道效成里，是单个电子穿过势垒形成隧道电流，即正常的隧道流，现在在超导体内除单个电子外，还有库柏对，这些配对的电子也可以双双穿过势垒，它们产生的隧道流称为超流部分，如果在两个超导体中间夹有氧化物所组成的超导结中有这种隧道超流流过时，会发生什么样的现象呢？首先在理论上预言会出现一种新的效应，即约塞夫逊（Josephson）效应。不久于1962年在实验上证实了此效应的存在，这就为超导电子学这门新学科开创了一个新的领域，即Josephson器件时代。

其次超导材料的问题也获得解决，由于微观的BCS理论，证实了金兹堡 - 朗道方程的正确性，于是由此方程推论出的磁通点阵被物理学家所接受，不久于1966年在实验上得到证实。于是很快第二类超导体问世了。由它制成的超导磁体可以通过很强的电流，而且还搞清楚了超导体中是什么因素影响了超导电流进一步的提高。如果磁通线不动，临界电流就可以提高，于是磁通的钉孔理论以及超导磁体的稳定理论也发展起来了。跟随而来，材料方面的发展也突飞猛进。可以说自1957年BCS理论以后微观机制一解决超导技术就得到迅速发展，并开创了超导电子学这一新的领域。

现在的问题是，如何提高超导体的临界温度？根据BCS理论，临界温度和材料的电声子相互作用强度以及费米面处的正常电子态密度有关。对于相当多的材料，理论的预言和实验符合得很好。但也有一些材料，叫强耦合材料和BCS理论的预测不符。原因是BCS理论中所作的近似对这些材料显得过于粗糙，它把声子的传播看作是没有推迟效应的。并且在BCS理论里，一旦用电子间的有效吸引作用来代替电子 - 声子相互作用以后，声子不再出现了，超导体中的单个电子型元激发变为稳定的元激发，这就把一部分多体相关效应给忽略掉了。实际上元激发与声子之间存在相互作用，结果导致元激发本身也是有寿命的。例如二个元激发可以结合成库柏对并放出声子，而处于凝聚相的库柏对也可吸收声子，拆成为单个元激发。这些过程都会引起元激发的有限寿命。由于忽略了这方面的影响，所以BCS理论不能解释强耦合超导材料的实验。为此我们把BCS理论能正确描述的超导电材料称作弱耦合材料。

为了克服上述二个方面的缺陷，应当一开始就从电子、声子相互作用出发，并且把电子的对关联纳入到理论的框架中来。这个理论方案，事实上早在1962年就已被厄立希伯格（Элиащберг） 完成，提出了他的著名的方程。这个方程是非线性的积分方程组，在1968年麦克米伦（McMillam）在临界温度附近近似地求解了这个方程组，得到了著名的（Tc的）麦克米伦公式。该公式对强耦合材料的实验结果给予了解释。当然对于弱耦合材料它也适用。所以，似乎超导理论已获圆满解决。

根据这个公式所给Tc和其他物性参数之间的关系对超导临界温度能作的预测是：因为麦克米伦公式中存在“λ=2极限”，故超导材料的最高超导临界温度只能到30 ~ 40°Tc。这个温度和液氮温度相差不远，因此如果想继续提高Tc至液氮温度甚至达到室温、无需冷却设备的超导体，似乎在电声子机制下的超导体已不可能实现。于是人们寻找其他超导机制。即不通过声子作中间媒介的吸引机制。有的提出通过激子、等离激元或其他元激发作中间物达到电子间有效的相互吸引。可是经过二十多年，至今还没有找到真正的激子或其他机制的超导体。超导体都是属于电声子相互作用机制的，于是看来超导临界温度将以麦克米伦公式所给的上限为止不能再提高了。引起这个上限的原因前面已述，是麦克米伦公式中存在“λ=2极限”的结果，它限制了超导临界温度的提高。直到1975年美国学者艾伦（Allen）和达因斯（Dynes）重新研究了强耦合的超导理论，他避免丁麦克米伦从厄立希伯格方程组解得他的公式过程中所作的近似，仔细考察了厄立希伯格方程后，结果发现λ=2的极限是不存在的。于是在电声子相互作用的框架以内，提高临界温度的可能性仍然敞开着。

为了给出Tc和其他物性参数之间的关系，艾伦和达因斯直接对厄立希伯格方程进行数字解，并从大量数字解用拟合的方式得到了Tc的公式即艾伦 - 达因斯公式，这个公式较麦克米伦公式准确。但在大的λ值下，公式与厄立希伯格的严格值（数字值）差距较显著。

在这段时间，我们南大物理系和中国科技大学、中科院物理所三个单位的同志对厄立希伯格方程提出了另一种解——级数解的形式。在所给的Tc公式中，可用级数的前面几项即可以相当精确地反映超导临界温度和物理参数之间的关系，尤其是在电子 - 声子相互作用强度较大时比艾伦 - 达因斯的公式为优。

1978年临界温度理论的研究工作基本结束。我个人兴趣转到表面、界面效应上。原因是当时国外的一篇报道引起的，它报道了在薄膜上进行的单电子隧道实验经反演技术后得出了一些奇怪的现象。这些是由于表面、界面效应或表面吸附对超导电的影响，使得它和大块金属的性质不一样。既然在探索提高超导温度方面，我们已经对全部元素都做了，其他二元、三元甚至是四元合金也试过了，但它们的超导温度最高也只达到绝对温度23.3度，要想进一步提高Tc看来要通过现有材料来实现是很困难了。是否可以通过某种人工的特殊结构，如把不同金属做成很薄的膜或很小的颗粒，通过界面相互影响来改变它原来的特性，这种途径来试探提高Tc的可能呢？事实上这在很多事例中都已实现了，也即是可以利用广义的邻近效应来改变原来两侧金属的性质。界面会对声子谱产生影响，从这个角度来研究界面系统内电声子的相互作用，对于超导参数的提高会给出有价值的信息。对临界温度过去仅认为和物性参数有关。现在对于小样品，它还和几何形态有关。例如做成薄膜，两种金属的多层薄膜调制结构，或做成超细微粒，在他们和其他金属或半导体材料接触后，通过相互影响，把一侧金属的性质通过界面传给另一侧。每一侧都带有另一侧的特征，甚至能使整体具有原来二种金属不具备的特性。例如半导体与金属（两者都不是超导体）的接触、使半导体原来能隙处出现大的带电子态，结果有利于超导电性的产生。所以表面、界面问题很重要。有的金属制成薄膜后，其临界温度会大幅度提高。如金属铝，大块时其临界温度为2.19K，做成薄膜后可达到5.7K。铍（Be）大块时临界温度为0.02K，但制成薄膜后，会提高到9.5K。制成薄膜的样品其表面效应变得很显著。表面、界面效应对超导电影响也大，这是值得研究的问题。我在这方面做了些研究工作，其结果已发表在国内、国外的刊物上。也提出了一些设想，即探讨利用现有元素材料制成薄膜叠房后以提高临界温度的可能性。

另外把超导体驱动到非平衡状况以后，超导的序（特征）参数和临界温度有增强效应。临界电流也会增强。这在超导微电子学中为了了解超导器件的工作性能必须要弄清楚的问题。为了达到非平衡态一般是用微波或用激光辐照来驱动它，也可以用声子注入方式。如果微波或激光的波长、频率选择适当，就可以把超导材料驱动到非平衡状态，并提高它的临界参数。如果考虑到对于超导结或超导微桥以及其他小尺寸样品，前述的表面、界面效应以及量子尺寸效应将参与到非平衡现象中来，这在实验上会表现出许多在大块样品中所没有的特异的现象，我和我们组的同志对这类问题也是有兴趣的，现正在作某些尝试。

记者：那么，超导材料与一般材料有何不同呢？

龚：这二者没有区别，超导材料是指凡是足够低温度下能转变到超导态的材料。如铅，在常温下它较软，熔点低，而铌却是熔点很高的金属，但当温度低到一定程度它们都会转变成超导体。目前，可以说除了铁磁性物质外，任何金属在温度降到临界温度以下都可以变成超导材料。处于超导状态的导体没有电阻，电流流经超导体不发生热损耗。临界温度也就是材料失去电阻时的温度。对于不同的材料，临界温度亦不同。最早认为超导体只能在金属中实现，1964年就曾有人利特尔（Little）提出一维的有机长键分子结构可以发生超导转变。但直到1980年才真正找到了一维有机超导体。这就把超导材料从无机物扩大到有机材料。可以预计，不久将会发现更多的有机超导材料，有的甚至可以具有较高的临界温度。

超导材料一般浸泡在液氦里，其温度为4.2K，此时超导体也具有相同的温度。如果能找到在液氮温度（77K）下即可转入超导态的材料就省力得多了，成本将大大降低并将有很高的实用价值。因此提高临界温度是将超导体付之大型应用的关键。

记者：再请你谈谈金属具有超导性质后，在军事及国民经济部门有何用处？

龚：前面已述在超导结转入超导态后，会出现Josephson效应，这是很有趣的现象，即直流电流通过时，没有电位降。若偏置一电压在结的两端，则将会出现一定频率的交流电流和相应的微波辐射。利用这个现象可做成亚毫米波的微波发生计。这个波段在无线电通讯技术上尚属空白。交流Josephson效应还被利用来制成检测器、混频器及超导记忆元件。利用该效应所制成的量子干涉仪（SQUID），可用来监测极微弱的磁场，并被利用于监测潜水艇的活动。另外还可用于地震预报。地震发生前，地或岩石电流有很弱的变化，普通仪器测不出来，用超导量子干涉仪可以测出。往往可以做成地磁探测仪。最近又利用超导结较短的“开关”时间（约10-11秒）和极低的能耗（10-16 ~ 10-18丁）特点，试制远较目前运算速度为快的计算机。这是超导电子学在科学技术、地球物理和国防上的应用。

由于没有电阻、不产生热，放在临界电流较高的超导体中，可以通过很大电流，这就可以用它来储能，或利用它绕成磁体。当线圈里有大电流通过时，可产生强大磁场，该磁场可用于高能加速器或受控热核反应作磁封闭。可大大减少设备的体积，节省许多材料。否则用普通金属，为减小焦耳热，磁体需做得很大，要花费很多材料。

强电方面的应用除这些以外还有超导发电机、超导电缆，国外还试图利用超导作成悬浮列车。处于超导状态的金属可以成为理想的抗磁体，可以做成磁屏闭。所以我们研究临界温度及金属的超导特性既在理论上而且在应用实践上都有重大意义的。

（本刊记者：蒋平）