【下文為朱教授親自撰寫的英文摘要,文末有一段感人的敘述,特譯為中文,以饗讀者。】
對於電的傳導、水的流動、或是汽車的行駛,自然界的規則是遵循最小阻力的路徑。如果我們在製造和使用器材時,能遵循這條路徑,我們將可節能省力,減少環境的惡化,最終將可改善我們的生活水準。不幸的是,自然界不會輕易地告訴我們最小阻力的路徑。
上述的路徑之一是零阻力-超導體,即導電時沒有電阻。1911年海克.凱末林.翁內斯(Heike Kamerlingh Onnes)利用液態氦將水銀冷卻至4K時,首次發現了超導現象。在這個溫度,稱之為超導轉變溫度TC,他觀察到水銀的電阻突然消失,導電時沒有能量損失。這個現象立即引發對科學理論的挑戰以及在技術上的潛在應用是顯而易見的。在其後的數十年間,超導體的發現攫取了科學家和技術研究人員的想像力。有許多金屬合金和化合物的超導體陸續被發現,但是它們的TC都沒有超過23K。有許多超導體的應用也曾經被展示過。1957年約翰.巴丁(John Bardeen)、力昂.古柏(Leon Cooper)、和羅伯.薛力佛(Bob Schrieffer)三位學者共同發展出一套詳盡的微觀理論,極佳地解釋了金屬和其化合物內超導性質的成因。儘管超導體在技術應用上有很大的潛力,但是這些低TC的超導材料,使得大規模的商業應用不切實際。同時,理論預測最高的可能超導轉變溫度不會超過三十幾度K,這樣的溫度仍然須要使用稀少而且昂貴的液態氦來冷卻才能達成。結果超導體的研究工作在1986年時幾乎完全停頓下來。
1986年本多士(Bendorz)和謬勒(M?ler)在摻有鋇的鑭銅氧化物中測到了超導性,創下了35K的TC新紀錄,扭轉了超導研究的局勢。這種材料是極為異類的,因為氧化物一般是絕緣體,不會導電,更別提是超導體了。在仔細檢查這個化合物後,我們相信獲致更高的TC是有可能的。幾個月後,在 1987年吳茂昆和我,兩位在台灣生長的物理學家,以及幾位工作同仁,顯示在三十幾度K以上的超導溫度是有可能的,甚且在釔-鋇-銅氧化物(簡稱為 YBCO)看到了93K的超導溫度。為達到這個溫度,只要把YBCO浸在液態氮中,就可使它轉變成超導狀態。液態氮不僅存量豐富而且便宜。這個研究成果觸發了全世界研究人員尋找其它超導氧化物的一陣熱潮,企圖揭開高溫超導的物理奧秘,並且嘗試發展高溫超導元件。在過去的十三年間,高溫超導科學和技術在各方面有很大的進展。即使有這樣的可觀成就,一個全面的微觀超導理論仍然尚未發展出來,實際的商業化應用也仍然未能達成。
高溫超導的發展歷史在某種程度看來,像似科學和技術發展歷史的縮影。這其間須要無可取代的辛勤流汗工作,廣泛的物理、化學、材料、和數學的知識,眼光,決心和毅力。科學上的發現有時也需要運氣。科學追尋之美就是使人能奢侈地享受「期所未期」(to expect the unexpected)。我自覺極為幸運能有良好的教育(在台灣和在美國),在合適的地方和在正確的時機,親眼目睹揭開了當代物理學中最激動人心的發展之一,也扮演了其中的一名角色。對此,我永遠感激孕育我成長的故鄉和那些助我美夢成真的人們。我將和你們分享這一篇不尋常的高溫超導體史詩。我也要點出在這令人興奮的超導體領域中,一些橫梗在前的挑戰。 |