超导电性能——有什么令人兴奋之处？

在那看来像一个半截的泡沫塑料咖啡杯的东西里面，有一个由某些黑色材料制成，大小像钮扣的小弹丸放在底部。在弹丸上面放着一片比弹丸还小的金属。一位青年学生小心翼翼地把冒烟的液体倒进杯里，每次只倒一点。围在桌子四周的观众屏息静气等待着。

液体落到杯里，起初像沸腾一般发出嘶嘶之声。不久就平静下来，气氛一片寂静。然后，那块金属小片开始颤抖，轻微地舞动。突然，它自动升起，离开那弹丸而浮在空中！学生拿出一个金属线圈，在金属小片下滑过。没有诡计，没有花巧——小片的确悬浮在空中！

那是一次超导电性能的实验，由一群学生在美国加州一间中学里进行。仅在一、两年之前，这样的实验只能在先进的研究实验室内举行，还要有精巧的设备和巨量的经费才行。今日连高中学生也能作这样的实验，由此可见这方面的发展多么迅速。

《时代》杂志在去年五月刊的封面登出它的故事，题名为“超导体！——可能改变世界的惊人突破。”《新闻周刊》称之为“电气新革命”。《生活》杂志以此作为封面，文章题名为“快餐物理学”，借此暗示在这方面的进步迅速到什么程度。那么，超导电性能究竟是什么？它有什么令人振奋之处？

寻求已久的理想

导电性能的定义是，物质输送电流的能力程度。我们大部分人都知道，某些物质，例如玻璃和瓷器，是不会导电的。另一方面，某些金属，例如铜、金和铂，却是优良的导电体，因为它们对于通过的电流没有多大的抵抗力。因此，超导电性能的意思是，一种物质对电流完全没有抵抗力——这种理想情况使电流在超导体中流动时毫无阻碍，也不致丧失任何电力。

科学家们久已预见到这样的理想物质——超导体——拥有巨大的潜能。例如，以超导体造成的导电线不但无需像普通电线一般由于具有的抵抗力而丧失巨量电力，而且不必在郊区装置纵横交错，既昂贵又碍目的电线。建造组合稠密，以全速运作的巨型电脑迄今还未成为可能，但使用超导体就可以做得到。超导体所具有的特殊磁性可能引进新一代的强大电磁力，这种强大电磁力可使若干在实验中的发明品得以成功，例如医学上的扫描，悬浮高速火车、巨型粒子加速器，甚至核聚变能量。

可是，这一切发展虽然令人神往，但却有一项障碍存在。超过75年之久，科学家早已知道若干种金属具有超导电性能，但唯独在冷至极低温度——低达冰点以下数百度——时才呈现这种特性。1911年，荷兰科学家奥尼斯(Heike Onnes)初次意外地找着超导体的门径。由于使氦气液化的技术成功，他在1913年获得诺贝尔奖，那时他正在研究低温对各种金属的影响。他在无意中发现水银在华氏-452°（或称为4K，意即科学家所谓开氏温标绝对零度以上4度a）时对电流失去一切抵抗力。

超导电性能虽是颇为偶然的发现，但它的价值却很快就为人所认识。可是，物质在其中产生超导电性能的极度低温，亦即所谓的跃迁温度或临界温度，却是个严重的障碍。在这样低温之下工作所费不赀，而且极为复杂，因此囿限了它的实际价值。在随后几十年，科学家以其他物质作实验，希望发现有些物质在较高的温度之下会变成超导体，但进度十分缓慢。

可是在这些年间，超导体的其他特性逐渐被人发现。最重要的发现之一是在1933年。研究者留意到，若把超导体放在磁场里，任何磁通量都不能流过，反之它会排斥磁通量或被磁通量所排斥。这种现象称为迈斯纳(Meissner)效果。正如在上述中学举行的实验表明，这乃是造成悬浮的因素。发现这件事促使科学家加紧努力研究较高温度的超导体。但进度依然慢得像蜗牛爬行一般。近至1973年，最佳的发现便是某种金属合金在23K（华氏-418°）之下变成超导体，但这样的低温仍然不合实用。过了十多年之后，进展依然不大。

温度逐渐升高！

新的转机开始于两位科学家，他们在瑞士苏黎世的国际商用机器公司(IBM)研究实验室工作时想起，其他研究家的成功不大也许是用错了物质之故。直至那时为止，研究所用的材料大都是金属和合金。“我深信沿着那些路线研究下去决不会有多大进展，”两位科学家之一的米勒(Alex Müller)说。

1983年，米勒和他的同伴贝诺斯(Georg Bednorz)开始以金属氧化物作实验。到了1986年初期，他们已获致多年来的首次重大进展，在35K或华氏-396°就产生超导电性能。他们所用的是钡、镧、铜和氧的混合物。消息最后在1986年9月刊出时，科学界大感惊讶。科学家们在瑞士实验室用作研究的物质是属于陶瓷一类；它们本来是绝缘体，因此没有人想到数十年来研究超导体的最大突破竟来自这方面。

不久之后，新的纪录接踵而来。1987年2月，由美国候斯顿大学华裔科学家朱经武(C. W. Chu)领导下的研究队发现了一种物质在93K（华氏-292°）就产生超导电性能。他们以另一种所谓的地中罕有元素——钇——去取代了米勒所用的镧。

这项成就在高温超导电性能方面展开了新的一页。在此之前，科学家要用液态氦使研究的物质降至所需的低温，这是个费用奇昂和复杂非常的过程。但随着新的发现，如今科学家可以采用液态氮去冷却物质，而氮在77K（华氏-321°）就可以液化。液态氮很容易获得，价值和牛奶不相上下，使用时无需繁复的设备。再加上氧化物质也是易于制造、价格廉宜的，这项发展在研究超导电性能的跃进方面担任一个重大角色。

当然，最终的目标是产生一种在室温之下的超导体而无需任何冷却过程，举世的科学家都正在力求达到这个目标。事实上，关于“稍纵即逝”的室温超导电性能的报道已开始出现了。

1987年5月，朱经武和他的研究队创下了更佳的纪录。他们发现了一小部分的研究物质在225K或华氏-54°之下出现超导电性能，但只是间歇出现而已。研究队的一位队员何培庆(Pei-Heng Hor，译音)说：“你观察到这种现象一次，过了一会儿就消失了，但你会再次看到它出现。”美国伯克利加州大学的另一研究队则报告他们所研究的物质在292K（华氏66°）曾有超导电性能出现，但他们却无法复得这种结果。

黄金时代就在眼前？

关于超导电性能的这些令人兴奋的消息使许多人以为我们正踏在一个新纪元——一个科技黄金时代——的门槛上。他们声称，我们的生活行将发生改变，像以往的许多发明——例如电灯和半导体——使我们的生活大为改变一般。据称超导体所能成就一切奇妙的事真的已近在咫尺吗？

美国科学基金会主持人布洛克(Erich Bloch)评论说：“在我们能够广泛使用超导电性能之前，首先要获得充分得多的基本科学了解才行。”关于人造的陶瓷物质何以能发挥超导体功用，科学家还未能够提出肯确的答案。

由于这缘故，不少科学家认为很可能要等到若干年后，超导体才会离开实验阶段而进入实际用途。美国国立标准局的一位研究家说：“这些物质的潜能极大，但新闻界所定的时间表却错了。我们要等到五年之后才会看见超导体在电脑的薄片中面世，到二十年后才会看见超导体受到广泛使用。”

现存的一项障碍是，高温超导体物质并不像金属一般柔顺可锻。这些易碎的物质也不容易弯曲，谁都知道陶瓷餐碟摔在地上时会有什么事发生。可是，超导体若要实际加以应用，就必须制成幼线和薄片。例如，在电脑和电子集成电路方面，超导体物质必须造成厚度只有一微米的薄片。马达和磁体需要极幼的软线来卷绕，电力传送线则必须坚牢柔韧。

使事情更加复杂的是，科学家们尚未确知超导体物质是否能传送巨量电流或磁场以应多项用途的需求。一切超导体都有个界限，过了这界限便会失去超导电性能。在目前，这个界限相当低。一切难题也许会获得解决——但不可能在明天。

可是，这件事也有不祥的一面。现时已有人谈及在太空战争中使用超导体微粒或引导能量的武器了！超导电性能结果会带来人人所预言和希望的裨益吗？抑或结果会像以往其他革命性的发明——例如弹药和核裂变——一般被人滥用而带来祸害？这个问题看来没有人能预先解答。

［脚注］

［第13页的附栏］

超导体的潜能

“用氮冷却的超导体可为公共事业节省数十亿元——所省下的能量则足以使50或更多间发电厂停开，”《商业周刊》如此说。超导体发电机和电线可以使更多的发电厂设在距离城市较远之处，从而减低污染、费用和危险。

磁性悬浮火车(maglevs)也许可以用轻量的超导体磁铁制造，速度高达时速300哩。使用超导电性能马达的电动汽车可以减低城市的空气污染。甚至轮船也可用这种马达开动。

比硅晶体管（半导体）快捷千倍的超导电微型小片装置已在发展之中。使用微型小片不但使未来的电脑较现时为快，而且减少使用时所生的大量热力，电脑体积也可以较小。案头电脑将有今日主机电脑一般的效能。

核子磁性共振扫描(NMRs)和超导量子干扰器(SQUIDs)等机器能够窥见人体内部和探测脑波。超导体的使用可以减少成本和复杂性，使普通医院和诊所都可以购置这些机器。

超导体的潜能的确十分巨大。其中有多少可以实现出来呢？

［第11页的图片鸣谢］

IBM Research