正文 第41章 超導體的發現(2)(1 / 3)

杜瓦以為液化氫的成功開啟了通過絕對零度的最後一道關卡,誰知道他的殘餘氣體中竟還有氦存在。他和助手們想了很多辦法,經過數年的努力,但終未能實現氦的液化。

正當世界上幾個低溫研究中心致力於低溫物理研究時,從事低溫領域研究的最出色的是荷蘭物理學家卡默林?翁尼斯。他以大規模的工程來建築他的低溫實驗室——萊登實驗室。他的實驗室的特點是:把科學研究和工程技術密切結合起來,把實驗室的研究人員和技師組織起來,圍繞一個專題,分工負責,集中攻關。相比之下,他的低溫設備規模之大,使同時代以及早於他的著名實驗室的設備簡直變成了“小玩具”。這樣,翁尼斯領導的低溫實驗室——萊登實驗室成了國際上研究低溫的基地。

1908年的一天,曆史性的日子終於到來了,這一天的實驗室工作是從早晨五點半開始一直工作到夜間九點半。全體實驗室工作人員都堅守在各自的工作崗位上,他們正在進行氦的液化實驗,他們是多麼渴望看到人類從沒有看到過的液化氦啊!可是,氦氣能夠液化嗎?大家都在擔心著。牆上的掛鍾“滴嗒滴嗒”地響個不停,時間在一秒一秒地消逝。人們屏住了呼吸,全神貫注地注視著液化器。他們先把氦預冷到液氫的溫度,然後讓它絕熱膨脹降溫,當溫度低於氦的轉變溫度後,再讓它節流膨脹,然後再降溫,這一係列的過程在液化器中反複多次地進行著。終於在下午六點半,人類第一次看到了它——氦氣被液化了!初看時還有點令人不敢相信是真的,液氦開始流進容器時不太容易觀察到,直到液氦已經裝滿了容器,事情就完全肯定了。當時測定在一個大氣壓下,氦的沸點是4.25K。萊登實驗室的所有人都異常興奮,奔走相告,互相祝賀,歡笑的聲浪傳向全世界。

萊登實驗室的全體工作人員並沒有滿足於已取得的成績,在翁尼斯的指揮下,他們快馬加鞭,乘勝前進,繼續夜以繼日地工作著。他們了解,如果降低液氦上的蒸氣壓,那麼隨著蒸氣壓的下降,液氦的沸點也會相應降低。他們這樣做了,並且在當時獲得了4.25K~1.15K的低溫。

當然,在無邊無際的宇宙裏,按我們的標準來看許多物質是處於極低溫狀態的,但是在地球上,人類以自己的智慧和勞動踏入了從未進入的奇異低溫世界。自1908年以來,人類經過了93年的研究,在這個奇異世界裏,人們發現了許多奇異的現象,其令人神往之處不亞於南北極的冰天雪地,勝過宇宙中的低溫,因為在這裏人們可以控製實驗室條件,細心地觀察新的事物。在現代,液氦製冷的低溫技術仍是低溫領域中的重要手段,大量的實驗工作離不開氦液化器……人們有理由為此感到自豪,同時也期待著,在這個低溫世界裏會看到怎樣更新天地啊!

揭開超導研究的序幕

事物都是一分為二的,導體的一方麵有善於導電的性質,另一方麵又對電流有阻礙作用。

這是因為自由電子在定向運動中,還不時地和處於晶格點陣上的正離子相互作用而產生碰撞,從而阻礙自由電子的運動。這種對運動電荷的阻礙作用稱為電阻。在一般情況下,所有導電的物體,即使導電性能最好的銀,也有電阻,電流通過時,仍然會發熱,選成損耗。這是在常溫下物體的性質,那麼在溫度為4.2K,乃至更低的溫度下,物體的性質有什麼變化呢?

1911年,翁尼斯和他的助手們在實驗中發現了一個特殊的現象:當金屬導體的溫度降到10K以下時,其電阻會明顯下降,特別是當溫度低於該金屬的特性轉變點以下時,電阻會突然下降到10-9歐姆以下。這種現象是以前沒有發現的,大家對此都非常感興趣,於是他們取水銀作為研究對象。一天,當他們正在觀察低溫下水銀電阻的變化的時候,在4.2K附近突然發現:水銀的電阻消失了!這是真的嗎?他們簡單不敢相信自己的眼睛了。他們在水銀線上通上幾毫安的電流,並測量它兩端的電壓,以驗證水銀線上的電阻是否真的為零。結果他們發現,當溫度稍低於-269℃(4.2K)時,水銀的電阻確實突然消失了。毫無疑問,水銀在4.2K附近,進入了一個新的物態。在這一狀態下,其電阻實際變為零。

翁尼斯和他的助手們反複研究了這一現象,他們把這種在某一溫度下,電阻突然消失的現象叫超導電現象,把具有超導電現象性質的物質叫做超導體,把物質所處的這種以零電阻為特征的狀態,叫做超導態。盡管翁尼斯等人已經明確給出了超導體的一些明確定義,但是要識別零電阻現象並不是很容易做到的。在當時的實驗條件下,用儀表直接測量來證明水銀的電阻為零,實際上是很難做到的。於是翁尼斯又設計了一個更精密的實驗:他將以前的裝置進行了簡化和改進,把一個鉛製的圓圈放入杜瓦瓶中,瓶外放一磁鐵,然後把液氦倒入杜瓦瓶中使鉛冷卻變成超導體,這時如果將瓶外的磁鐵突然撤除,鉛圈內便產生感應電流。如果這個圓鉛環的電阻確實為零,這個電流就應當沒有任何損失地長期流下去,這就是著名的持續電流實驗。實際上,在1954年,人們在一次實驗中開始觀察,這個電流從1954年3月26日開始,一直持續到1956年9月5日,在長達二年半的時間裏,持續電流未見減弱的跡象。最後,由於液氦供應中斷才使實驗中止。這就是說,圓環裏麵的電子,好像坐上了沒有任何摩擦的轉椅,一旦轉動起來,就一直轉下去,幾年停不下來,永遠也停不下來了。