一、引言

自1993年开始，由于超导电子学应用的接连失利，再加上美国超级超导对撞机（SSC）的下马，使得世人普遍对超导技术的前景产生悲观情绪，关于超导材料的探索一下子降低到冰点。（研究经费投入明显减少，世界范围的Internet热取代了超导探索热），充分展示了最近10年以来超导物理发展史诡谲多变又绚丽多彩的摄人魂魄的大起大落：高温超导竟有这么大的诱惑力使得它与物理学的其他任何一个分支都迥然不同。如此跌宕起伏的发展史平添给它一种深邃的神秘感——使得虽然世界绝大多数人（包括大众、政府决策部门以及许多从事超导开发研究的物理学家）觉得超导事业前途茫茫 :投资多而收益小，似乎不可逾越的技术壁垒以及难以逆料的超导产业市场。可以毫不夸张地说，在世界的每一角落，一时间整个超导界悲观颓丧情绪占了上风。

但也有极少数有识之士仍然坚持认为超导物理前途光明，他们在这块丰沃的土地上默默耕耘，最突出的例子莫过于美国洛斯阿拉莫斯国家实验室，以该实验室超导技术中心负责人佩德森（Dean E. Peterson）为首的高温超导研究小组属于多年来少数坚持研究YBa₂Cu₃O_6+x材料者。经过了10年磨砺，1995年底，以美国洛斯阿拉莫斯国家实验室关于YBa₂Cu₃O_6+x超导带材的研制成功作为发端，经过科学家们半年多的准备工作，工业以及商业应用，尤其是超导输电和蜂窝式电话的应用方面，超导技术异军突起，由高温超导物理带来的世纪性技术革命已经来临。

二、跌宕起伏的超导电发展史及其思索

自从1911年荷兰莱顿大学的欧内斯（Kemerligh Onnes）在测量低温状态下水银的电阻从而发现超导电性以来，超导电性，无论在低温（液氨温度，~4.2 K附近）抑高温（液氮温度，~77 K附近）方面，其发展史已走过漫长的85年。事实上，科技发展史的每一阶段，无不打上人类以何种目光看待它和如何处理它的深刻烙印。

技术应用现状一瞥

在实际应用方面，超导发展史经历过两个阶段 :第一阶段在70年代初，以低温超导体为基本材料的超导量子干涉仪（SQUID），在弱电流测量方面，其灵敏度可达10^-31 J/Hz。在弱磁场测量方面，则可达7×10^-15 T；第二阶段从80年代后期开始，以高温超导体为基本材料的SQUID，弱电流及弱磁场的测量精度，分别达到10^-31 J/Hz和2×10^-15 T，SQUID对于现代医学的重要性，可以用一句话来概括：“这是超导技术首次进入医学领域并成为人类健康新的福音。”此外，从95年开始的超导输电和蜂窝式电话的应用，给21世纪高技术普及推广的前景，带来令人振奋的新曙光。

对理论探索的思考

在理论研究方面；超导电发展史似乎印证了柏拉图的名言：“历史总是不断重演的。”

1950年以前，各种不同金属和合金的超导电现象搅得物理学家心神不定，眼花缭乱，直到1950年春天，实验上发现了同位素效应以及佛洛里希（H. Frolich）独立提出的关于超导电性起因于电子-电声子之间相互作用的预言，第一次清楚地指明了研究方向，从而奠基了BCS低温超导理论。回顾历史，把握现在，展望将来，今天的理论物理学家面对材料科学家提供的多种系列——Bi系、Y系、Tl系、Hg系等铜氧化物以及非铜氧化物高温超导材料，重又陷入无所适从的泥淖之中，英国凝聚态权威、1977年诺贝尔物理奖获得者莫托（N. F. Mott），于80年代中期有过一句名言：“有多少个高温超导理论家，就有多少种高温超导理论”，虽然从积极方面说明理论物理学家一贯具有高度独创性的优秀品质，但从另一角度，却也坦陈了理论物理学家在处理高温超导理论方面所处的尴尬窘迫境地。在世纪之交之际，面对各种高温超导材料，20世纪末的理论物理学家中，是否存在独具慧眼的巴丁（Bardeen）第二，就像1957年的巴丁等人成功地提出低温超导理论那样，他能够独自或者联合其他物理学家，来揭露高温超导材料的本质？或者至少能给21世纪的物理学家以新的启迪？换句话说，揭露高温超导机制的时机是否已经悄然来临？

高温及低温超导体的异同点：从其中人们能领悟到什么？

让我们转而看一下由实验揭示的高温和低温超导体，其性质的异同点，了解这些异同点，对高温超导电性无论是技术应用抑或理论探索方面，无疑都会有所帮助。

先看相异点：首先，低温超导体（T_c~4.2 K）可分为两种类型，第一类和第二类，前者包括大多数金属材料例如铅（Pb），铝（Al）等等，其特点是在外加弱磁场（0.01 T<H<10 T）作用下，除了超导态和正常态之外，不存在中间混合态，因此，第一类超导体在超导状态下无实用的载流能力，第一类超导体目前除了利用迈斯纳效应，可制作磁悬浮器件外，其最大的实际用途，是可以制作检测万有引力波的谐振天线，这种天线的基本材料是液氦温度下的铝棒；第二类超导体在外加弱磁场（0.01 T<H<10 T）的作用下，则存在明显的中间混合态以及明显的磁通量子化现象：磁通线在洛仑兹力和钉扎力（pinning force）的共同作用下，构成规则且均匀的三角形磁通点阵，钉扎力微小的一类称为理想第二类超导体，没有实用的载流能力，铌钛合金（NbTi）是这类超导体的代表；而以铌三锡（Nb₃Sn）为代表的非理想第二类超导体，由于其特别强大的钉扎力，因而具有实用的载流能力，关于NbTi和Nb₃Sn的研究，是低温超导电工技术的基础。

高温超导体（T_c ~77 K）则存在明显的不同之处：首先，目前发现的所有铜氧化物超导体均属非理想的第二类超导体，与非理想的低温第二类超导体相比，其上临界磁场H_c2更高（高于H_c2的磁场会使超导样品失超而进入正常态），下临界磁场H_c1更低（低于H_c1的磁场不能进入样品内部）；其次，具有更小的相干长度ξ；第三，具有强烈的各向异性，在这方面，低温超导体则高度各向同性；此外，第四，具有更丰富的磁结构和磁通动力学行为。

令人更感兴趣的是高温和低温超导体的相同点，因为这是揭示高温超导机制本质的关键，至少我们可以从目前已十分熟悉的低温超导机理中借鉴出高温超导机理的尽可能多的本质。

首先是无论低温抑高温超导体，其载流子均以配对形式实现其宏观凝聚态，亦即超导行为，基于众所周知的实验事实，高温或低温超导行为，均可用描写外界弱磁场情况下，有效电荷为2 e，有效质量为2 m_e带电粒子运动的Ginzburg-Landau方程唯像地处理。

其次考察一下非理想第二类超导体磁通线的动力学规律 :无论低温抑或高温超导体，在外部弱磁场的影响下（H＜100 T），样品内部磁通线的运动，取决于两大因素，亦即洛仑兹力和钉扎力相消相长的整个过程——前者因为磁通线和外加磁场的相互作用而迫使磁通线本身蠕动，后者则将磁通线钉扎于样品的晶格缺陷以及晶界附近，限制其蠕动。这种奇异的约束条件，完全决定了样品本身的载流能力，从这种普适的动力学机制中，人们又能领悟到什么？

第三，我们目前可能处在一种倾向掩盖另一种倾向的境地：当我们对以低温及高温超导体为关键部件的SQUID设备以及它在现代医学工程中的巨大成就热烈欢呼时，人们是否已经意识到，正是隐藏在SQUID背后的约瑟夫逊效应，妨碍了我们关于弱电场条件下大块超导体行为的理解？

约瑟夫逊效应是超导电性四大特征之一，其他三大特征分别是迈斯纳效应、磁通线量子化以及样品内部载流子的配对机制。所谓约瑟夫逊效应，指的是在两块超导体之间，用另一个物体——可以是超导体，亦可以是包括绝缘介质在内的非超导体——把它们连接起来，当该中间连接体其厚度小于50 ?，且其性质为绝缘体时，整个样品即成为一个典型的SNS约瑟夫逊隧道结，由于量子隧穿效应，电子对将以一定的几率穿过很薄（d<50 ?）的绝缘层。从一个超导体S₁进入另一超导体S₂，不在样品外部施加弱电压，仅从样品电流和电压引线的电极，利用灵敏的电流计，即可测得样品的超导隧穿电流；如果在样品外部施加弱电压，使得它上下两表面产生电位差，则可控制隧穿电流的大小，深入一步的理论考察表明，所谓约瑟夫逊效应，指的是样品内部超导隧穿电流的位相变化效应。

至此，自然产生如下问题 :约瑟夫逊效应发生在厚度小于50 ?的超导层内部，其两个外表面均处于超导状态，那么，如果在厚度远大于50 ?的大块超导体内部，超导电流的变化又将如何？或者换句话说，在外加弱静电场的作用下，大块超导体内部配对载流子其行为如何？进一步我们还可问，既然约瑟夫逊电子器件在医学工程、电脑运算及储存器件、蜂窝式电话等方面得到或者即将得到广泛应用，那么非约瑟夫逊电子器件（大块超导体电子器件）能否得到开发，其应用前景又将如何？

注意到如下事实是意味深长的：高温超导膜其厚度若大于等于100 ?，即可算作大块超导体，其原因在于，与低温超导体相比，其相干长度极短（ξ_高温/ξ_低温）~(10^-9/10^-4)=10^-3，因此无论从实验、应用或者理论方面看，讨论弱电势（或者弱电场）下大块超导体内部载流子表现的宏观量子行为，以及相应超导电子元件的开发，具有其现实意义。

三、我们是否处在超导技术革命的前夜？

高温超导材料YBa₂Cu₃O₇的发现者之一，美国普林斯顿大学超导中心负责人朱经武教授，1995年9月在《科学美国人》上撰文写道：1995年在高温超导材料制作方面，材料学家克服了如下困难，因此使工业以及商业上大规模应用该种材料成为可能：

第一，由于铜氧化物超导材料（例如YBCO）属于层状钙钛矿结构，其点阵常数a和b皆接近0.38 nm，这一数据由Cu-O键长决定，点阵常数c却随层状结构中层数的改变而变化。因此，如果各层面未被排列得十分恰当，很多电子会在排列混乱区域的边界上发生冲撞从而减速，磁场会加速该进程，以至于它们可能很容易穿透这个混乱区域而破坏超导电流。

研究人员围绕这些障碍找到了一种方法：先在镍（Ni）带上淀积一层方形氧化锆，形成具有结构的表面，再利用脉冲激光工艺，把排列好的YBCO晶体（微米量级）淀积在该表面上，这种过程会产生更精确地把超导层排列起来的效果，许多开发机构已经开始销售以这种薄膜为基本部件的超导器材。杜邦公司、麻省理工学院林肯实验室以及伊利诺斯超导技术有限公司等都在制造可在微波频率下运行并适用于军事仪表和蜂窝式电话系统的器件。麻省理工学院还制造出了以高温超导薄膜为关键部件的SQUID。

第二，如何处理高温超导薄膜中有限电流容量（在77 K，洛斯阿拉莫斯国家实验室的科学家利用以镍为载体的YBCO带材已达每平方厘米130万安培的电流密度J），和所面临的“侵入”磁场的兼容问题——这种电流-磁场（包括外部磁场及内部电流诱生磁场）的相互作用，其实质就是高温超导体内部作用于量子磁通线上的Lorentz力及钉扎力相消相长问题（本文作者注）——研究人员为尽量减少“侵入”磁场的影响以确保薄膜的电流容量，已仔细地设计了一些工序并找到了一种方法，把结构缺陷引入到超导体的特定部分，这些缺陷的作用是把磁通线“钉扎”住从而限制了磁场的破坏性趋势。

这种改进已经得到令人注目的结果，对于YBCO超导薄膜，在许多方面，目前可达到的电流容量和低温超导体的电流容量可以比拟：当铜氧化物被冷却到相当的温度并被置于强磁场中时，它们以某种方式取代了其他低温超导体所能扮演的角色。

第三，大规模的应用还面临另一种障碍 :铜氧化物本质上是陶瓷，它是脆性的，难以构成导线，以美国超导公司为龙头的研究人员，通过新的加工技术和材料选择，正在努力试图从易碎的物质中逐渐地提取可以弯曲的导线，他们把一种预先制成的粉末填塞进银白色的细管中，再把它们卷绕起来压紧形成导线，然后进行烘烤，进而把粉末转变成一种以铋（Bi）为基底的铜氧化合物，简略的样品在4.2 K时可以在每平方厘米传送20万安培的电流，约是铜线通常能传送的200倍强，而在77 K时传送的电流量3.5万安培，美国的超导体现在可以按照常规方式拉伸长达数千米的导线，利用离子束方式，洛斯阿拉莫斯国家实验室的物理学家最近生产出可弯曲的YBCO带样品，其抗磁场性能比铋导线优越得多。

对于如上取得的技术成就我们是否已经感到欢欣鼓舞？如果我们天真地以为超导技术在21世纪到来之前会像电脑技术那样使人类社会大大地得到改观，那我们也许过分乐观了。今年8月德国《商报》提供了如下信息：1996年，德国政府对高温超导材料的开发虽仍确定一个5年资助期，但提供的资助已明显有所保留，来自高校、研究所和工业界的科学家们重新评估了高温超导课题的前景，比较清醒的结论是 :需要很长时间才能生产出第一批可投放市场的产品，他们从如下几个方面评价高温超导技术的现状：

首先，在发电技术方面，如果需实现超导材料的应用，最起码的要求是完全可靠、成本低且能与现有技术接轨，短期内这些要求难以达到，例如有关电缆和部件的开发才刚刚开始，另外，超导系统的优势在1兆瓦以上大功率范围内才能实现，而目前的发电厂正向小型化发展，这也是制约超导技术在电力系统应用的主要因素之一。

其次，目前正在通讯技术上研究进一步利用超导体的特性 :高温超导材料作为高频技术上的滤波器，将进一步推动卫星及蜂窝式电话技术的发展，这些材料对卫星技术的魅力在于：同样功率的超导系统可更轻、更小，而在蜂窝式电话技术上利用超导滤波器可造出对准目标的天线，利用这种天线则可大大提高通讯传输能力。

第三，用高温超导材料制造的高灵敏度磁场传感器（例如SQUID）有望较早进入实用阶段，它的研究开发已有相当进展，目前关键问题在于，这种传感器只能测量非常弱小的磁场（地磁场的亿分之一），而在地球物理测量、医疗技术或无损检验等应用领域，需要进行大量的系统及模式开发工作。

因此，注意到如下事实是必要的 :对于超导技术的任何利用来说，只有当效率的提高不被冷却费用所抵消时，才会有现实的市场机会。目前亟待解决的问题是，对于开发可投入市场的系统而言，还缺乏经过实验考验的冷却技术。

站在21世纪的大门口，面临如此众多的机遇和挑战，无论如何，我们已有充分的理由认为：高温超导电性，其世纪性的技术革命已经来临，我们已处于超导技术革命的前夜。