新型超導(dǎo)體二硼化鎂（MgB2 ） 基礎(chǔ)研究及其應(yīng)用展望
超導(dǎo)體，顧名思義就是通電流后沒(méi)有能量耗散 的導(dǎo)體) 它是由于大量配對(duì)電子凝結(jié)到一個(gè)“步調(diào) 一致”的相干態(tài)后，其運(yùn)動(dòng)不受晶格散射的結(jié)果) 1911 年，荷蘭的科學(xué)家 O00es 發(fā)現(xiàn)水銀的超導(dǎo)現(xiàn)象 后，人們一直期望能找到室溫超導(dǎo)體，這是人們長(zhǎng)期 以來(lái)的夢(mèng)想) 人們?cè)陔S后七十余年的歲月中，只將轉(zhuǎn)變溫度提高到 23K（約零下 250攝氏度）.1986年底，瑞士研究人員首先在原來(lái)不曾想到的氧化物中找到了轉(zhuǎn)變溫度為30K以上的超導(dǎo)體，在世界上掀起了一場(chǎng)對(duì)高溫超導(dǎo)電性的追逐。不久，中國(guó)科學(xué)家就獨(dú)立地發(fā)現(xiàn)了液氮溫度（77.3K) 以上的超導(dǎo)體。 目前氧化物超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變溫度已經(jīng)高達(dá)130多 K（ 高壓下可達(dá)160K），在某些方面的應(yīng)用已經(jīng) 嶄露頭角) 另外氧化物超導(dǎo)體的超導(dǎo)機(jī)制也是擺在 凝聚態(tài)物理學(xué)家面前的最富有意義和挑戰(zhàn)性的課題 之一) 這是由于此類(lèi)材料中電子之間的相互作用很 強(qiáng)，其運(yùn)動(dòng)行為似乎不能用業(yè)已成熟的固體物理的 知識(shí)來(lái)理解) 對(duì)高溫超導(dǎo)機(jī)理的理解可能會(huì)導(dǎo)致人 們對(duì)很多被稱(chēng)為電子強(qiáng)關(guān)聯(lián)的一大類(lèi)材料物理本質(zhì)的理解，同時(shí)在科學(xué)和技術(shù)兩個(gè)方面產(chǎn)生飛躍!
由于其自身的特點(diǎn)，氧化物超導(dǎo)體在很多方面 的應(yīng)用受到限制! 這些特點(diǎn)包括非常小的相干長(zhǎng)度 導(dǎo)致小的凝聚能和磁通釘扎能，層狀結(jié)構(gòu)導(dǎo)致磁通系統(tǒng)容易變成二維而產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，陶瓷特性使得材料容易脆裂，原材料價(jià)格比較昂貴使得應(yīng)用得成本很 高等等! 因此人們需要尋求新的超導(dǎo)體! 2001年 3月初，日本科學(xué)家報(bào)道了二元材料二硼化鎂 在 39K左右表現(xiàn)出超導(dǎo)特性.這個(gè)發(fā)現(xiàn)迅速激起了全世界范圍內(nèi)的研究熱潮! 由于在對(duì)氧化物高溫超導(dǎo)體長(zhǎng)達(dá)十余年的研究中，人們積累了豐富的經(jīng) 驗(yàn)和建立了先進(jìn)的手段，所以對(duì)二硼化鎂超導(dǎo)體性 質(zhì)的研究進(jìn)展得非常迅速! 中國(guó)科學(xué)家也以極快的 速度開(kāi)展了研究，獲得了一些重要結(jié)果! 由于這個(gè)新發(fā)現(xiàn)在 2001年 3 月初才報(bào)道出來(lái)，因此在同年 3 月底舉辦的美國(guó)物理年會(huì)上（美國(guó)西雅圖），只能以特 別專(zhuān)場(chǎng)的形式報(bào)告這個(gè)重要發(fā)現(xiàn)以及因此引發(fā)的工 作! 來(lái)自世界各地的 60 多個(gè)報(bào)告一直從晚上8點(diǎn)持 續(xù)到凌晨1 點(diǎn)多! 來(lái)自中國(guó)科學(xué)院的科學(xué)家應(yīng)邀在 這個(gè)特別專(zhuān)場(chǎng)上作了兩個(gè)報(bào)告!
關(guān)于二硼化鎂超導(dǎo)體機(jī)理的研究經(jīng)歷了一波三 折的過(guò)程! 由于二硼化鎂的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度接近傳統(tǒng)電 聲耦合的上限，因此一開(kāi)始很多人相信的超導(dǎo)電性可 能不是來(lái)自傳統(tǒng)的電聲耦合，而是由其他原因所致!后來(lái)，二硼化鎂中硼原子的同位素效應(yīng)實(shí)驗(yàn)演示出超 導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度對(duì)原子質(zhì)量具有明顯的依賴(lài)關(guān)系，因此 人們逐漸相信電聲耦合作用對(duì)超導(dǎo)的形成是十分重 要的! 進(jìn)一步又發(fā)現(xiàn)，對(duì)此系統(tǒng)的任何形式的摻雜只 會(huì)使超導(dǎo)溫度下降，因此人們?cè)絹?lái)越相信二硼化鎂超 導(dǎo)體可能只是一個(gè)眾多二元合金超導(dǎo)體中的“漏網(wǎng)之 魚(yú)”，并且人們將其超導(dǎo)完全歸結(jié)于傳統(tǒng)超導(dǎo)體BCS機(jī)理! 然而，人類(lèi)的想象與自然界的客觀事實(shí)總 是有些差距，這也是促使科學(xué)家不斷更新和提高自己 認(rèn)知的動(dòng)力! 后來(lái)的理論計(jì)算表明，在二硼化鎂中有 不只一個(gè)能帶跨越費(fèi)米面 ，電聲耦合所造成的費(fèi)米 面失穩(wěn)完全可能在兩個(gè)能帶的費(fèi)米面處產(chǎn)生能隙! 這 一點(diǎn)又與傳統(tǒng)的所有的超導(dǎo)體完全不同! 有關(guān)兩個(gè)能 隙的圖像后來(lái)被比熱、核磁共振、電子隧道譜和角分 辨光電子譜的實(shí)驗(yàn)廣泛證實(shí)! 有關(guān)兩個(gè)能隙是如何形 成的以及它如何影響超導(dǎo)特性是目前有關(guān)二硼化鎂 超導(dǎo)體研究的熱點(diǎn)!
二硼化鎂超導(dǎo)體在應(yīng)用上的契機(jī)遠(yuǎn)比對(duì)其物理 的理解更讓人激動(dòng)! 在發(fā)現(xiàn)后不久，人們就測(cè)量了很 多有關(guān)其電、磁、熱方面的宏觀特性，這方面包括中國(guó)科學(xué)家所做出的大量出色的工作. 首先，人 們發(fā)現(xiàn)，這個(gè)超導(dǎo)體在 20K左右的溫度和 8萬(wàn)倍于 地球磁場(chǎng)的情況下，可以承載很大的超導(dǎo)電流，而且 能耗極低! 由于20K的溫度可以方便地使用小型制 冷機(jī)獲得，因此這使得人們想到在將來(lái)的醫(yī)院里使 用的核磁成像儀器的超導(dǎo)磁體再也不要昂貴的液氦 來(lái)運(yùn)行，而只需要插上電源就行了! 另外，二硼化鎂 材料的價(jià)格很低，而且遠(yuǎn)比陶瓷特性的氧化物高溫 超導(dǎo)體容易加工成形，因此在發(fā)現(xiàn)后不久，美國(guó) 23 456 實(shí)驗(yàn)室就能夠拉出長(zhǎng)達(dá)幾十米的線材和帶材!
此外，二硼化鎂超導(dǎo)體的超導(dǎo)相干長(zhǎng)度較長(zhǎng)，容易制 備出超導(dǎo)量子干涉器件用于微弱電磁信號(hào)的檢測(cè)， 在大地探礦、醫(yī)療儀器、環(huán)境和軍事方面具有應(yīng)用前 景!
中國(guó)科學(xué)家在這次二硼化鎂超導(dǎo)體的研究中表 現(xiàn)出了相當(dāng)強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力! 在得知消息后不到一個(gè)星 期，中國(guó)科學(xué)院物理研究所超導(dǎo)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室就 制備出了高質(zhì)量的樣品，隨即做出了大量出色的研 究工作! 比如他們很快認(rèn)識(shí)到二硼化鎂超導(dǎo)體的上 臨界磁場(chǎng)和磁通融化磁場(chǎng)之間存在一個(gè)巨大的差 距，提出了合理的圖像來(lái)解釋這個(gè)差距；再比如 他們與挪威的科學(xué)家用不同的方法獨(dú)立地發(fā)現(xiàn) 在二硼化鎂超導(dǎo)薄膜中存在細(xì)小密集的磁通跳躍， 而且中國(guó)科學(xué)家明確地界定了這個(gè)磁通跳躍的范圍，為以后克服弱電應(yīng)用中的困難起到了積極作 用! 此外，中國(guó)科學(xué)家有關(guān)二硼化鎂超導(dǎo)體的摻雜和 電鏡觀測(cè)等工作都在國(guó)際上引起了廣泛的關(guān)注! 在 應(yīng)用方面，中國(guó)科學(xué)家已經(jīng)能夠成功地制備出長(zhǎng)達(dá) 幾十米的線材，為下一步制備超導(dǎo)磁體奠定了堅(jiān)實(shí) 的基礎(chǔ)! 可以預(yù)見(jiàn)，在未來(lái)三年中，用二硼化鎂線材 所制造的超導(dǎo)磁體將會(huì)在中國(guó)的科學(xué)家手中誕生!
