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超导发展史中的转折点

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1986 年,美国 IBM 公司苏黎世实验室的缪勒(M. A. Muller)与柏德诺兹(J. G. Bednorz)在镧钡铜氧(LBCO)材料中突破性地发现超导电性,其临界温度约为 35K。这一成果最初发表于地方期刊《Zeitschrift für Physik B》,受传播范围限制,短期内未引起广泛关注。次年,美国休斯顿大学物理系的朱经武(Paul C.W. Chu)院士敏锐捕捉到这一发现的潜力,迅速将研究重心从磁性材料转向铜基超导材料 LBCO 的研制。

凭借深厚的超导研究积累,朱先生深知在高压下超导临界温度可略微提升;同时,考虑到 LBCO 材料的层状结构,他打算不依赖高压来减小层间距离。鉴于 LBCO 的层状结构特性,他大胆提出创新思路,改用体积更小的稀土元素钇(Y)替换体积较大的镧(La)元素。这一策略收获了惊人成效——新合成的 YBCO 超导临界温度飙升至 93-95K,远超预期。消息一经公布,立即引发全球超导界的轰动,多个国家的实验室如雨后春笋般争相复制 YBCO 材料。中国赵忠贤院士领导的团队也成功验证了这一成果,有力证实了 YBCO 超导体的可靠性。

值得深思的是,在 CuO 平面形成的层状结构绝缘材料中掺杂后就成为铜基高温超导材料。且临界温度突破传统认知数十倍。此前,科学家们执着于沿着 “绝缘体→半导体→导体→超导体” 的线性路径追求零电阻,而 LBCO 与 YBCO 的发现打破了这一固有思维。人们奇迹般的发现最好的超导材料并非存在于最佳的导体中,而突然跳回到绝缘材料,这不就构成一个循环吗?这看似违背常理的现象,却蕴含着深刻的科学哲理。对中国人来说,这种简单的哲理从小就是根深蒂固,我们小时候从父母的口中就知道“乐极生悲”“物极必反”的道理,科学探索同样遵循这个辩证规律。也就是说绝缘体和超导体,这种矛盾对立的两方却统一在同一块材料上,只是改变一下条件(即掺杂)而已。

缪勒、柏德诺兹与朱经武团队的发现不仅为超导领域开辟新方向,更启示我们:在科研困境中,或许需要跳出现有框架,遵循宇宙的循环规律,有时候可能需要以逆向思维探索未知。

值得着重指出的是,当年朱经武团队的核心成员都是来自中国的访问学者与博士研究生,仅有两三位美国白人本科生承担实验辅助工作。团队中的中国科研人员包括蒙如玲、孙延仪、吴茂昆、何北衡、高理、黄志军、陈峰等,他们都是其中的杰出代表。

起初,团队着手复刻缪勒与柏德诺兹发现的 LBCO 超导材料。在此过程中,蒙如玲女士发挥了关键作用。她凭借对固相烧结法的娴熟掌握,以该方法取代传统的化学沉淀法;在精细操作下,通过严格把控温度与通氧量,团队很快取得突破,成功烧制出 LBCO 块材。这一创新方法在后续 YBCO 超导块材的制作实验中得到进一步应用。当 YBCO 研制成功的消息公布后,全球相关学者纷纷急切探寻其制备过程,蒙如玲提出的固相烧结法也随之在世界范围内推广开来,并沿用至今。

转自:范教授

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