超导物理学的概述
昂内斯于1853年9月21日生于荷兰的格罗宁根，29岁即1882年就被任命为荷兰莱顿大学物理学教授和实验室主任.晋升后不久，昂内斯受到他的同胞范德瓦尔斯研究的影响，决定在莱顿大学建一个当时在世界上规模最大的低温实验室，并把全部研究项目都转到低温研究方面.由于有了较好的实验条件，昂内斯于1906年使 用真空泵连续真空法，使低温气体获得最大限度的膨胀，这样，他获得了20.4k（零下252.76℃）的低温，液化了氢气.由于有了大量液态氢，就为进一步液化氦气打下了坚实的基础.1908年7月10日，液化氦气的关键性实验从凌晨5点半就开始了，经过漫长的13小时之后，实验室的工作人员才在人类科学史上第一次看到了液态的氦.当时，昂内斯激动得不得了，他激动地说：当我看到了液氦时，那真有点像神话中的幻觉，一切都似乎是奇迹的显现.在实验过程中昂内斯获得了4.2k（零下268.96℃） 的低温.过了两年，昂内斯进一步做了使氦固化的试验，但是没有成功.虽说氦没有固化成功，昂内斯意外地从中却获得了1.04k（零下272.12℃）的低温.这是人类向绝对零度大大逼近了一步.人们为了尊敬昂内斯的贡献，给他送了一个风趣的绰号叫绝对零度先生.从此，昂内斯更加专心致志于探索物体在低温时表现出的特殊性质.昂内斯和他的学生开始用汞作为测量对象，因为他认为金属材料纯净与否会大大影响测量.而汞可以用蒸馏法提炼得非常纯净.1911年4月的一天，昂内斯让他的学生霍尔斯特进行实验观察，在观察中发现当温度到4.2k以下时，电阻突然消失了，这使霍尔斯特大为惊讶.但是，昂内斯并不感到过分吃惊，因为这一实验结果与他的猜想相吻合.4月28日，昂内斯公布了他们的这一重要发现.同年11月25日，他又明确指出,测量表明，从氢的熔点（14.02k）到氦的沸点（4.56k）之间，曲线显示出汞的电阻随温度下降而减小的速度与通常情形一样，是逐渐减小的；但到4.21k与4.19k之间，电阻减小的速度急剧加快；到4.19k时，电阻完全都消失了.就这样，低温超导现象被人类第一次发现了.为了进一步证明电阻真的减到零，昂内斯和他的学生把磁铁穿过水银环路，由于电磁感应产生的电流保持了好几天，这就充分证实了电阻完全消失后的超导现象：即只要超导体内有电流，由于没有电阻，所以原则上电流就会永远流动下去，不会停止.1913年，昂内斯首次在论文中使用了超导电性这个词.美国物理学家巴丁，库珀，施里弗说明了超导现象的微观本质和机制，创立了BCS超导微观理论超导现象虽说于1911年就发现了，但是直到20世纪40年代末，还只能建立起一个唯象的理论，仅仅只限于解释超导的宏观现象.一直到1957年，关于超导现象的 微观本质和它的机制，才由美国物理学家巴丁，库珀和施里弗三人共同解决----他们合作创建了超导微观理论.他们三人创建的这套理论，取每人姓氏的第一个字母进行组合，即被称为BCS理论.这一理论提出后，迅即被大量理论研究和实验实践证明它是十分成功的----因为，这一理论能对超导电性作出正确的解释，并极大的促进了电性和超导磁体的研究和应用.所以如此，他们三人于1972年共同获得了诺贝尔物理学奖.缪勒和柏德诺兹的研究成果导致多种液氮温区高温超导体材料的出现，并宣告了超导技术开发应用时代即将到来20世纪70年代中期以后，人们对于超导现象的研究沉寂了一段时间.这是因为在实验室里，人们对超导材料的选择上仅限纯金属,金属合金和金属化合物，这些材料的临界温度约在23.2k以下，无法提高因此在应用上受到了阻碍.到1986年1月26日，美国国际商用机器公司苏黎世实验室的瑞士物理学家缪勒和西德物理学家柏德诺兹发现钡镧铜氧化合物的临界温度提高到了30k左右，并证明有可能提高到35k.这次成功缘于一次国际会议的召开.在1983年7月的一次国际会议上，缪勒遇到了他的老朋友托马斯教授.在会上，托马斯教授提出了一个新的设想----他认为，绝缘体的电子通常都紧密地与原子核紧紧连在一起，因而不容易导电；但如果给某些绝缘体掺入一些杂质，以松散与核紧密相联的电子，这样的话，电子就比较自由，这些绝缘体就有可能成为超导体.缪勒当时正在进行这方面的研究，托马斯的观点与他的想法正是不谋而合.听了托马斯的分析，缪勒的信心和劲头更足了.他对金属氧化物已经有充分的了解，最后，他选用了陶瓷材料.在以后的两年半中，他与他的助手柏德诺兹在实验室中苦干，终于取得了前面提到的突破性发现.他们俩人的发现，意义不仅仅在于使超导的温度有了较大幅度的提高，更重要的是他们选用的陶瓷材料----突破了传统中材料的选择.正是由于这一选择和突破，在全世界掀起了一股前所未有的超导热，在短短的几个月时间里，美国，中国，日本和前苏联竞相宣布，它们的科学家们用陶瓷材料，将超导的临界温度大幅度地提高了.1957年，挪威裔美国物理学家贾埃弗完成了量子力学隧道效应实验，并于1960年完成了超导体隧道效应实验.于1973年获诺贝尔物理学奖.1962年，英国物理学家约瑟夫森预言，在超导体--绝缘体--超导体这样一个结构中（物理学上通称为一个结),将会出现无电阻电流，这一预言在1963年被实验证实，并命名为约瑟夫森效应.又过了一年，一位叫默塞罗的物理学家发现，如果利用两个约瑟夫森结，则可利用两个电流的相互干涉作用，使无阻电流值更大这种干涉效应与光学中利用双缝增强光度的效应是差不多的.超导量子干涉仪就是根据这一原理制造出来的.超导量子干涉仪的用途极为广泛，如果用来作精密测量，其精密度达到惊人的程度.约瑟夫森和贾埃弗的发现，对于研制高性能的半导体和超导体元器件具有很高的应用价值，并导致超导电子学的建立.超导研究已长达近一个世纪，20年前超导应用在科学界还被认为是一种侈谈.而今天，它已在科研，医疗，交通，通信，军事，电力和能源等领域得到了应用.但这只是序幕，超导研究与应用在21世纪将为我们展现更加绚丽辉煌的前景.
超导X射线激光器达到了比外层太空还要冷的工作温度
在加利福尼亚州门洛帕克的地下30英尺处有一段半英里长的隧道现在比宇宙的大部分都要冷。 它容纳了一个新的超导粒子加速器，它是美国能源部(DOE)的SLAC国家加速器实验室的利纳克相干光源(LCLS)X射线自由电子激光器的升级项目的一部分。 工作人员成功地将加速器冷却到零下456华氏度/2开尔文--在这个温度下，加速器成为超导并能将电子提升到高能量，而在此过程中能量损失几乎为零。这是LCLS-II产生X射线脉冲之前的最后一个里程碑，这些X射线脉冲的平均亮度为LCLS的10,000倍，每秒可到达100万次--这是当今最强大的X射线光源的世界纪录。 “在短短几个小时内，LCLS-II将产生比目前的激光器在其整个生命周期内产生的更多的X射线脉冲，”LCLS的主任Mike Dunne说道，“曾经可能需要几个月才能收集的数据可以在几分钟内产生。它将把X射线科学提升到一个新的水平并为一系列全新的研究铺平道路、推进我们开发革命性技术的能力从而解决我们 社会 面临的一些最深刻的挑” 有了这些先进的新能力，科学家们可以以前所未有的分辨率检查复杂材料的细节来推动新形式的计算和通信、揭示罕见和短暂的化学事件从而教导人们如何创造更可持续的工业和清洁能源技术、研究生物分子如何执行生命的功能以开发新型药品、通过直接测量单个原子的运动来窥探量子力学的奇异世界。 一个令人害怕的壮举 LCLS作为世界上第一个硬X射线自由电子激光器(XFEL)于2009年4月产生了它的第一道光，其产生的X射线脉冲的亮度是以前的任何东西的10亿倍。由于它是在室温下通过铜管加速电子的，所以这限制了它的速率为每秒120个X射线脉冲。 2013年，SLAC启动了LCLS-II升级项目以将该速率提高到一百万个脉冲并使X射线激光器的功率提高数千倍。为了实现这一目标，工作人员拆除了旧的铜质加速器的一部分并安装了一系列37个低温加速器模块，这些模块容纳了珍珠般的一串铌金属空腔。这些模块被三层嵌套的冷却设备所包围，每一层都会降低温度，直到达到近乎绝对零度--在这个条件下，铌腔会变成超导。 “跟为LCLS提供动力的铜质加速器在环境温度下运行不同，LCLS-II超导加速器在2 kelvins下运行，仅比绝对零度高出约4华氏度，这是可能的最低温度，”SLAC低温部主任Eric Fauve说道，“为了达到这个温度，linac配备了两个世界级的氦气低温器，进而使SLAC成为美国和全球的重要低温地标之一。在整个大流行期间，SLAC低温团队在现场工作、安装和调试低温系统并在创纪录的时间内为加速器降温。” 其中一个专门为LCLS-II建造的低温器则将氦气从室温一直冷却到绝对零度以上的液态并为加速器提供冷却剂。 4月15日，新加速器首次达到了2K的最终温度，今日（5月10日），加速器则已经准备好进行初始操作。 “冷却是一个关键的过程，必须非常小心地进行，以此来避免损坏低温模块的情况发生，”SLAC加速器局局长Andrew Burrill说道，“我们非常兴奋，我们已经达到了这个里程碑，现在可以专注于开启X射线激光器了。” 赋予它生命 除了一个新加速器和一个低温器外，该项目还需要其他尖端部件--包括一个新的电子源和两串新的起伏器磁铁，它们可以产生“硬”X射线和“软”X射线。其中，硬X射线的能量更大，使研究人员能在原子水平上对材料和生物系统进行成像。软X射线则可以捕捉到能量如何在原子和分子之间流动、跟踪化学作用并提供对新能源技术的见解。为了实现这个项目，SLAC跟其他四个国家实验室--阿贡实验室、伯克利实验室、费米实验室和杰弗逊实验室--及康奈尔大学进行了合作。 杰斐逊实验室、费米实验室和SLAC汇集了他们的专业知识来研究和开发低温模块。在建造好低温舱后，费米实验室和杰斐逊实验室对每一个低温舱进行了广泛的测试，然后用卡车将这些容器包装并运往SLAC。杰斐逊实验室团队还设计并帮助采购了低温器的元件。 “LCLS-II项目需要来自美国各地五个不同的能源部实验室的技术人员、工程师和科学家组成的大型团队及来自世界各地的许多同事的多年努力，”SLAC副主任兼LCLS-II项目主任Norbert Holtkamp说道，“如果没有这些持续的伙伴关系及我们合作者的专业知识和承诺，我们不可能取得现在的成就。” 迈向第一条X射线 现在腔体已经被冷却，下一步工作是用超过一兆瓦的微波功率对其进行泵送，从而加速来自新源的电子束。穿过空腔的电子将从微波中获取能量，因此当电子穿过所有37个低温模块时它们的运动速度将接近光速。然后，它们将会被引导通过起伏器，进而迫使电子束走人字形路线。如果一切都排列得恰到好处--在人类头发宽度的一小部分范围内--那么电子将发出世界上最强大的X射线爆发。 这跟LCLS用于产生X射线的过程相同。然而由于LCLS-II使用的是超导腔而非基于60年 历史 的暖铜腔，所以它可以每秒提供多达一百万个脉冲，这是相同功率的X射线脉冲数量的一万倍。 一旦LCLS-II产生其第一批X射线--预计将会在今年晚些时候发生，两个X射线激光器将并行工作，这将使研究人员能在更广泛的能量范围内进行实验、捕捉超快过程的详细快照、探测脆弱的样品并在更短的时间内收集更多数据和增加可进行的实验数量。它将大大扩展该设施的科学范围，进而使来自全美及世界各地的科学家能追求最引人注目的研究理念。
