個發(fā)現(xiàn)超導的人是誰
超導的發(fā)現(xiàn)得益于20世紀初低溫物理的發(fā)展。
當時人們已經(jīng)很清楚金屬材料的電阻率隨溫度的下降而減小，但對于低溫下金屬電阻如何變化卻不是很清楚。由于沒有低溫環(huán)境用于實驗，人們紛紛猜測金屬電阻的低溫行為。其中馬西森認為金屬電阻率會持續(xù)減小到一個剩余電阻率，因為金屬中雜質(zhì)和缺陷造成的電阻是不會隨溫度變化的，而原子振動造成的電阻將隨溫度下降而逐漸變?yōu)榱�；開爾文勛爵則認為，低溫下即使是電子也將被“凍住”，電子的運動能力將大大受限，使得導電能力降低，電阻率在低溫下反而會急劇增加；杜瓦則認為，如果我們能夠尋找到一個沒有雜質(zhì)和缺陷的“###金屬”，那么剩余電阻率也是零，所以電阻率將隨著溫度逐漸趨于###零度而變?yōu)榱恪?
為了驗證電阻率到底在低溫下如何演變，###關鍵的就是獲得低溫環(huán)境。在當時獲得低溫的辦法就是利用各種氣體加壓液化，然后再減壓制冷。如在一個大氣壓下液氧沸點是90 K，液氮沸點是77 K，因此通過加壓液化可以輕松分離空氣中的氧氣和氮氣。液氮也可以進一步減壓致冷，達到50 K左右的低溫環(huán)境。在1908年之前，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程的理論，當時發(fā)現(xiàn)的幾乎所有氣體都陸續(xù)被加壓液化了，###后只剩下氫氣和氦氣未能液化，問題就出在理論上。荷蘭萊頓大學的范德瓦爾斯（就是那位范德華，分子間作用力用他命名）在博士期間就提出了一個新的氣體狀態(tài)方程，充分考慮了氣體分子之間的相互作用，修改了理想氣體狀態(tài)方程（后來獲得了諾貝爾獎）。后來范德瓦爾斯去了荷蘭阿姆斯特丹大學，但萊頓大學迎來了另一位實驗物理學家——�？�.卡末林.昂尼斯，立志要建立一個低溫物理實驗室，目標就是把###后的氫氣和氦氣液化。昂尼斯在范德瓦爾斯的理論指導下，認識到要讓氫氣和氦氣液化，###重要的就是要讓它們不斷突然膨脹對外做功，也就是不斷節(jié)流減壓。在1898年，昂尼斯實驗室成功獲得了液氫，常壓下沸點是21 K(杜瓦也獨立制得了液氫)。有了液氫作為低溫環(huán)境，就可以從21 K以下的氦氣出發(fā)，讓它繼續(xù)通過各種管道隧道實現(xiàn)低溫節(jié)流減壓。終于在10年后的1908年7 月10日，昂尼斯實驗室獲得了###股透明的液氦，在常壓下沸點為4.2 K。利用液氦自己還可以再進一步減壓制冷，可以得到1.5 K左右的低溫。這在當時已經(jīng)認為是非常接近###零度了。
有了1.5 K如此低溫的物理環(huán)境，昂尼斯開始思考關于金屬電阻率隨溫度變化的問題，他個人更傾向于認同杜瓦的觀點。于是昂尼斯開始率領團隊測試各種材料的低溫電阻行為。起初他們選擇都是室溫下導電極好的金、鉑及其合金等，其中鉑是室溫電阻率###低的單質(zhì)金屬。測量了多個金屬材料在低溫下電阻后，他們發(fā)現(xiàn)結果都是存在一個剩余電阻率，基本上和馬西森的預言一致。為了進一步尋找###金屬，昂尼斯選擇了金屬汞，常溫下是液態(tài)，通過蒸餾可以得到純度極高的樣品，而且在室溫下液體裝入測量管道非常方便，然后冷凍到低溫自然變成固體。正是昂尼斯這個選擇，促使了###個超導體的發(fā)現(xiàn)。
1911年4月8日，萊頓大學低溫物理實驗昂尼斯團隊的Gerrit Flim、Gilles Holst和 Cornelius Dorsman和往常一樣，早早就過來實驗室準備測量金屬汞的低溫電阻。昂尼斯隨后過來檢查液氦情況，確保中午時分可以順利開展實驗。大約在下午4點左右時候， Gilles Holst和 Cornelius Dorsman發(fā)現(xiàn)汞的電阻在3 K時幾乎測不到了，而金的電阻則仍然存在。起初他們懷疑是實驗儀器出了故障，或者測量短路了，昂尼斯也要求他們反復檢查測量過程和設備。又經(jīng)過數(shù)天重復實驗，他們終于確定在液氦沸點4.2 K以下的時候，汞的電阻確實突然降到了零，也即超出了儀器的測量精度范圍（0.00001 Ω）。1911年11月，昂尼斯在荷蘭萊頓大學學報上報道了這一現(xiàn)象，并將其命名為“超導”，意指“超級導電”。這就是###個超導體——金屬汞的發(fā)現(xiàn)過程。
金屬汞在4.2K下電阻突然消失的現(xiàn)象非常令人吃驚，因為這和之前預測的低溫電阻變化三種行為都不符合，電阻完全可以在有限溫度下消失，未必需要降到零溫。昂尼斯團隊為了證明電阻真的是降到零，在隨后的數(shù)月時間里，都在不斷重復實驗驗證結果，并測量其他金屬如鉛和錫，也同樣發(fā)現(xiàn)了類似現(xiàn)象，只是發(fā)生超導的溫度不一樣。即使如此，萊頓實驗室也還在不斷嘗試測量超導體的低溫電阻率。一直到到1932年，此時昂尼斯已經(jīng)去世6年了，Gerrit Flim還在倫敦努力重復這個實驗，證明200 A強電流情況下超導鋁塊仍然測量不到電阻。如今，利用###的現(xiàn)代測量技術，已經(jīng)可以證明超導體電阻率低于10^-18 Ω.m，相比導電性極好的常規(guī)金屬電阻率10^-8 Ω.m，整整低了10個數(shù)量級。倘若在超導環(huán)內(nèi)形成1 A的電流，能夠永遠保持超導狀態(tài)不變的話，那么###少需要一千億年才能徹底衰減掉。因此，在###高實驗技術精度下，超導體電阻率可以認為就是零。
因為液氦的成功制備和超導的發(fā)現(xiàn)，昂尼斯獲得了1913年的諾貝爾物理學獎。昂尼斯的成功其實背后有許多不可忽視的重要因素。一是當時研究已經(jīng)走到了迫切需要低溫物理環(huán)境的地步，而且確實人們希望認識低溫下的物性，即有天時；二是范德瓦爾斯建立的方程有效解決了理想氣體方程的局限性，同在荷蘭的他給了昂尼斯正確的理論指導，可謂是地利；三是昂尼斯有一個非常踏實的實驗團隊，他的工程師Flim對他忠心耿耿，一輩子只做低溫物理實驗測量超導現(xiàn)象，他的助手Holst和 Dorsman也是勤懇踏實，如果不是后人回憶，甚###沒有人記得這三個人的名字，這可謂是人和。事實上，當時世界物理研究中心就在德語區(qū)，包括德國、荷蘭、瑞士等，許多物理大牛都是昂尼斯的好朋友。在一個普通的周末，昂尼斯就能邀約愛因斯坦、厄倫菲斯特、外爾、郎之萬、范德瓦爾斯等數(shù)位###的物理理論大師來家里做客聊天討論物理。這不僅促成了超導的發(fā)現(xiàn)，也使得這個發(fā)現(xiàn)迅速被世人所認識，并迅速獲得了諾貝爾獎。
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