超導體，顧名思義就是通電流后沒(méi)有能量耗散 的導體) 它是由于大量配對電子凝結到一個(gè)“步調 一致”的相干態(tài)后，其運動(dòng)不受晶格散射的結果) 1911 年，荷蘭的科學(xué)家 O00es 發(fā)現水銀的超導現象 后，人們一直期望能找到室溫超導體，這是人們長(cháng)期 以來(lái)的夢(mèng)想) 人們在隨后七十余年的歲月中，只將轉變溫度提高到 23K（約零下 250攝氏度）.1986年底，瑞士研究人員首先在原來(lái)不曾想到的氧化物中找到了轉變溫度為30K以上的超導體，在世界上掀起了一場(chǎng)對高溫超導電性的追逐。不久，中國科學(xué)家就獨立地發(fā)現了液氮溫度（77.3K) 以上的超導體。 目前氧化物超導體的轉變溫度已經(jīng)高達130多 K（ 高壓下可達160K），在某些方面的應用已經(jīng) 嶄露頭角) 另外氧化物超導體的超導機制也是擺在 凝聚態(tài)物理學(xué)家面前的最富有意義和挑戰性的課題 之一) 這是由于此類(lèi)材料中電子之間的相互作用很 強，其運動(dòng)行為似乎不能用業(yè)已成熟的固體物理的 知識來(lái)理解) 對高溫超導機理的理解可能會(huì )導致人 們對很多被稱(chēng)為電子強關(guān)聯(lián)的一大類(lèi)材料物理本質(zhì)的理解，同時(shí)在科學(xué)和技術(shù)兩個(gè)方面產(chǎn)生飛躍!
由于其自身的特點(diǎn)，氧化物超導體在很多方面 的應用受到限制! 這些特點(diǎn)包括非常小的相干長(cháng)度 導致小的凝聚能和磁通釘扎能，層狀結構導致磁通系統容易變成二維而產(chǎn)生運動(dòng)，陶瓷特性使得材料容易脆裂，原材料價(jià)格比較昂貴使得應用得成本很 高等等! 因此人們需要尋求新的超導體! 2001年 3月初，日本科學(xué)家報道了二元材料二硼化鎂 在 39K左右表現出超導特性.這個(gè)發(fā)現迅速激起了全世界范圍內的研究熱潮! 由于在對氧化物高溫超導體長(cháng)達十余年的研究中，人們積累了豐富的經(jīng) 驗和建立了先進(jìn)的手段，所以對二硼化鎂超導體性 質(zhì)的研究進(jìn)展得非常迅速! 中國科學(xué)家也以極快的 速度開(kāi)展了研究，獲得了一些重要結果! 由于這個(gè)新發(fā)現在 2001年 3 月初才報道出來(lái)，因此在同年 3 月底舉辦的美國物理年會(huì )上（美國西雅圖），只能以特 別專(zhuān)場(chǎng)的形式報告這個(gè)重要發(fā)現以及因此引發(fā)的工 作! 來(lái)自世界各地的 60 多個(gè)報告一直從晚上8點(diǎn)持 續到凌晨1 點(diǎn)多! 來(lái)自中國科學(xué)院的科學(xué)家應邀在 這個(gè)特別專(zhuān)場(chǎng)上作了兩個(gè)報告!
關(guān)于二硼化鎂超導體機理的研究經(jīng)歷了一波三 折的過(guò)程! 由于二硼化鎂的超導轉變溫度接近傳統電 聲耦合的上限，因此一開(kāi)始很多人相信的超導電性可 能不是來(lái)自傳統的電聲耦合，而是由其他原因所致!后來(lái)，二硼化鎂中硼原子的同位素效應實(shí)驗演示出超 導轉變溫度對原子質(zhì)量具有明顯的依賴(lài)關(guān)系，因此 人們逐漸相信電聲耦合作用對超導的形成是十分重 要的! 進(jìn)一步又發(fā)現，對此系統的任何形式的摻雜只 會(huì )使超導溫度下降，因此人們越來(lái)越相信二硼化鎂超 導體可能只是一個(gè)眾多二元合金超導體中的“漏網(wǎng)之 魚(yú)”，并且人們將其超導完全歸結于傳統超導體BCS機理! 然而，人類(lèi)的想象與自然界的客觀(guān)事實(shí)總 是有些差距，這也是促使科學(xué)家不斷更新和提高自己 認知的動(dòng)力! 后來(lái)的理論計算表明，在二硼化鎂中有 不只一個(gè)能帶跨越費米面 ，電聲耦合所造成的費米 面失穩完全可能在兩個(gè)能帶的費米面處產(chǎn)生能隙! 這 一點(diǎn)又與傳統的所有的超導體完全不同! 有關(guān)兩個(gè)能 隙的圖像后來(lái)被比熱、核磁共振、電子隧道譜和角分 辨光電子譜的實(shí)驗廣泛證實(shí)! 有關(guān)兩個(gè)能隙是如何形 成的以及它如何影響超導特性是目前有關(guān)二硼化鎂 超導體研究的熱點(diǎn)!
二硼化鎂超導體在應用上的契機遠比對其物理 的理解更讓人激動(dòng)! 在發(fā)現后不久，人們就測量了很 多有關(guān)其電、磁、熱方面的宏觀(guān)特性，這方面包括中國科學(xué)家所做出的大量出色的工作. 首先，人 們發(fā)現，這個(gè)超導體在 20K左右的溫度和 8萬(wàn)倍于 地球磁場(chǎng)的情況下，可以承載很大的超導電流，而且 能耗極低! 由于20K的溫度可以方便地使用小型制 冷機獲得，因此這使得人們想到在將來(lái)的醫院里使 用的核磁成像儀器的超導磁體再也不要昂貴的液氦 來(lái)運行，而只需要插上電源就行了! 另外，二硼化鎂 材料的價(jià)格很低，而且遠比陶瓷特性的氧化物高溫 超導體容易加工成形，因此在發(fā)現后不久，美國 23 456 實(shí)驗室就能夠拉出長(cháng)達幾十米的線(xiàn)材和帶材!
此外，二硼化鎂超導體的超導相干長(cháng)度較長(cháng)，容易制 備出超導量子干涉器件用于微弱電磁信號的檢測， 在大地探礦、醫療儀器、環(huán)境和軍事方面具有應用前 景!
中國科學(xué)家在這次二硼化鎂超導體的研究中表 現出了相當強的競爭力! 在得知消息后不到一個(gè)星 期，中國科學(xué)院物理研究所超導國家重點(diǎn)實(shí)驗室就 制備出了高質(zhì)量的樣品，隨即做出了大量出色的研 究工作! 比如他們很快認識到二硼化鎂超導體的上 臨界磁場(chǎng)和磁通融化磁場(chǎng)之間存在一個(gè)巨大的差 距，提出了合理的圖像來(lái)解釋這個(gè)差距；再比如 他們與挪威的科學(xué)家用不同的方法獨立地發(fā)現 在二硼化鎂超導薄膜中存在細小密集的磁通跳躍， 而且中國科學(xué)家明確地界定了這個(gè)磁通跳躍的范圍，為以后克服弱電應用中的困難起到了積極作 用! 此外，中國科學(xué)家有關(guān)二硼化鎂超導體的摻雜和 電鏡觀(guān)測等工作都在國際上引起了廣泛的關(guān)注! 在 應用方面，中國科學(xué)家已經(jīng)能夠成功地制備出長(cháng)達 幾十米的線(xiàn)材，為下一步制備超導磁體奠定了堅實(shí) 的基礎! 可以預見(jiàn)，在未來(lái)三年中，用二硼化鎂線(xiàn)材 所制造的超導磁體將會(huì )在中國的科學(xué)家手中誕生!
