和中学生朋友谈超导(1)

不必讳言,在高考刚刚结束这个特殊的时间写这篇东西招生宣传的意味很明显。不过,作为一个长期从事超导研究的大学教师,我感觉有责任为这个领域的发展尽一点力,没必要觉得不好意思。

超导是荷兰莱顿大学的Kamerlingh Onnes于1911年发现的一种神奇现象。发现之初,人们完全没有想到这个现象与十余年后(1920-1930年代)发生的量子革命居然存在着深刻的联系。超导电性最显著的表现有两个,一个是理想导电性,一个是更有神秘感的完全抗磁性。以下网址提供的是以色列特拉维夫大学物理与天文系制作的一个超导完全抗磁性的演示视频(wimp.com/quantum-levita)。尽管这个视频我已经看过很多次,但是每次看仍然会浮想联翩。如果你是第一次看到,应该很难不感到惊讶吧。

如此神奇的现象一定有其非凡的起源。1920-1930年代量子力学的发展非常及时地为理解超导现象提供了思想武器。现在人们知道,超导是一种宏观量子现象。简单来说,超导体中的电子可以步调一致地以德布罗意波的方式非局域地感受磁场的作用,从而将单个电子微不足道的波粒二象性放大到宏观尺度。这就是F. London在1930年代提出的超导现象的波函数量子相位刚性解释的实质。考虑到当时人们对于新生的量子力学的理解仍然相当混乱,London思想的深邃和大胆实在令人敬畏。

了解了超导是一种宏观量子现象是否就意味着解决了超导问题了呢?当然不是。首先,我们不了解是什么原因导致超导体中的电子运动发生量子协同,没有对于这个问题的理解,London解释最多只能当成一种猜测。其次,如何使超导这种宏观量子现象在更容易实现的条件下发生?毕竟,最初发现超导现象的条件极端苛刻。第三,利用这一神奇现象可以实现哪些重要或新奇的应用?对于这三个问题的探索构成了超导研究的主体,它们分别对应于

a)超导微观机理研究

b)超导材料研究

c)超导应用研究。

一百多年过去了,为何我们仍然对于超导研究如此热衷?这是因为,超导研究不仅具有重大应用价值,也具有重大基础物理意义,同时,超导研究正面临前所未有的巨大机遇和挑战。此外,超导研究带动了大量相关物理问题的研究,导致了大量新材料和新现象的发现,促成了大量新的研究方法的发展和成熟,同时还引发了物理学不同领域的交叉融合。这些趋势在最近三十年的物理研究进程中表现得尤其明显。

我们首先来看超导研究的应用价值。超导体的应用大致可以分为强电应用和弱电应用两个方面。

a) 超导体的强电应用主要是利用超导体的宏观电磁性质,即理想导电性和完全抗磁性。从各种媒体的报道,我们对于超导直流输电,超导磁悬浮这些内容已经比较熟悉,大家可能不太熟悉的是,利用超导体的理想导电性我们还可以产生极端强大的磁场。强大的磁场既可以用于基础前沿研究,例如高能粒子加速器,或者极端条件下的物性研究,也可以用于一些与我们的日常生活密切相关的领域,例如高分辨医学成像等等。强磁场的一个更加重要的应用领域是为受控热核聚变提供其不可替代的磁约束,这为人类终极解决能源问题提供了可能。

b) 超导体的弱电应用主要是利用其量子特性。比如,利用超导量子干涉技术,人们探测磁信号的灵敏度可以达到了一个磁通量子的水平(一个磁通量子约等于2\times10^{-15} 韦伯)。同时,基于超导约瑟夫森效应(也是一种宏观量子相干效应)构造的量子比特是目前实现大规模量子计算最有希望的硬件单元。还有,利用拓扑非平庸超导体特殊的电子态结构,人们有望实现具有拓扑保护的稳定的量子计算。 当然,超导体的弱电应用未必一定涉及量子层面的效应,一个和我们日常生活密切相关的例子是,利用超导体的理想导电性我们可以制造具有超高品质因子的超导滤波器,这为提高电子通讯的带宽和保真度提供了极大的空间。这项技术已经为我们的生活默默服务了。

我们再来简单谈谈超导研究的基础物理价值,更详细的讨论会在后续文章中看到。超导研究在历史上曾经多次为基础物理研究带来具有普适性的重要思想。例如,超导电性的金兹堡-朗道理论既是朗道对称破缺思想最伟大的应用之一,也为后世有效场思想在物理学中的广泛应用奠定了基础。又如,刚刚过世的凝聚态物理伟人Anderson在1950年代对于超导体中规范对称破缺的研究为粒子物理中Anderson-Higgs质量获得机制的提出提供了重要的启发。还有,基于电子配对的超导电性的BCS理论对于从原子核结构研究到中子星物理研究这个宽达13个量级的尺度里的物理研究提供了重要的思想源泉。最后,对于铜氧化物高温超导机理的长达三十年的持续求索为人类超越现有凝聚态物理框架,发展全新的量子物态理论提供了重要的物理线索和机遇。

本系列文章的第一篇的就写到这里。在本系列后续文章中,我将介绍

(2)超导材料研究的现状和挑战

(3)超导机理研究的现状和挑战

(4)超导研究的主要手段

(5)进入超导研究领域的需要进行的知识储备和能力准备。


本系列文章的链接如下

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本系列文章是在我的科学网博客文章(在人大物理系研究超导 --- 致中学生朋友的一封信)的基础上重新扩展写作的,将对该博文所涉及内容进行更加深入的讨论。从这个意义上说,上述博文可以看成是本系列文章的长版摘要。

编辑于 07-26