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体与超导电性》。
提到超导,可能大家都不陌生,因为这个词我们经常在科技新闻中能听到,而高温超导更是现在最热门的科研方向。然而最初发现超导现象,那还是发生在1911年的事情。
有“绝对零度先生”之称的荷兰莱顿大学卡末林?昂内斯教授,毕生研究方向是低温物理学。当时获得低温的主要手段是液化气体,莱顿大学物理实验室在昂内斯的领导下迅速发展,于1894年创建了莱顿大学低温物理实验室,建立了大型液化气体工厂。1904年他们液化了氧气,两年后又液化了氢气,并在1908年首次液化了氦气,以4K刷新了人造低温的新纪录。随后又用液氦获得了0.9K的更低温度。
在1911年的一天,昂内斯教授意外地发现,将汞冷却到4.2K时,汞的电阻会突然消失。随后,他又发现许多金属和合金都具有上述特性。由于它的特殊导电性能,昂内斯教授称之为“超导态”。因为“研究物质在低温下的性质,并制出液态氦”的杰出贡献,他获得了1913年的诺贝尔物理学奖。
当然,超导现象出现的基本标志,除了昂内斯教授发现的零电阻效应外,还有一个迈斯纳效应。这是在1933年由荷兰的迈斯纳和奥森菲尔德共同发现的。所谓迈斯纳效应,就是当金属处在超导状态时,这一超导体内的磁感应强度为零,把原来存在于体内的磁场排斥到超导体之外去了。
自从发现超导电性以来,人们几乎立马就认识到超导技术有广泛应用的潜在价值,世界各国都花了很大力气开展这方面的工作,但是超导转变温度太低,离不开昂贵的液氦设备。为了使超导材料具有实用性,人们开始了探索高温超导的历程。
然而在没有有效理论指导的情况下,对于高温超导材料的探索是极端辛苦的,只能用穷举法,对每一样材料进行试验。后来甚至知道上千种物质具有超导特性,可是它们的转变温度都在液氦温度附近或在1K以下,根本没有利用价值。
从1911年至1986年的七十五年间,超导温度由汞的4.2K只提高到其中辛苦由此可见。但昂内斯教授非常幸运,因为他发现超导态时所用的汞,便是当时能找到的最好的高温超导材料。
孙元起写这篇论文时,遇到不少难以解决的问题,比如中国现在根本没有能制造出液态氦的设备。要知道,昂内斯教授经过千辛万苦,才在1908年实现液化氦气。没有液态氦,就不可能发现汞的超导特性。有鉴于此,孙元起只能抛弃汞,而换用另外一种物质:氮化铌。
氮化铌其超导临界温度可达15K,是1941年由德国物理学家阿瑟曼发现的。这也是人类发现的第一个超越液氦区的超导材料,在液态氢中就可以实现超导。而英国物理学家杜瓦经过二十余年的研究,早在1898年就已经首次液化了氢气。所以孙元起只要指导实验室采购来相应的设备和材料,稍加实验,这篇论文就可以新鲜出炉了。
有足够的银子,液化氢和氮化铌倒也不难买。从八月份初开始筹备,到现在这篇论文已经可以收尾了。
为了提高《私立经世大学学报》的知名度,孙元起打算将这篇文章用中英文刊登在学报上,然后把它分别寄送给英、法、美、德、日等国家的物理学会和主要大学、研究机构,让他们知道中国还有一份叫《私立经世大学学报》的学术期刊。
相信接到学报,阅读这篇《超导体与超导电性》之后,一定会有很多科学家,设法去做如下两件事:第一,订阅这份学报;第二,验证试验,成功后会以极大的热情投入到无数材料的试验中去。
但这些试验绝对是“高能耗”:耗时,耗力,耗钱,又没有什么产出。除了推动低温物理学的发展之外,大概只能发现一大批没有任何价值的超导材料。因为孙元起相信,至少在未来三十年间,很难找到比氮化铌更好的高温超导材料
论文快修改完的时候,办公室的门突然被推开,闪进一个人影,然后迅速掩上门。孙元起吓了一跳,连忙放下笔,站起身来打量来人:年近三十岁,穿着学校的校服,看上去似乎有些面熟。要说是学校的学生,却又不像,因为学校里年龄大的都是1901、1902年招进来的,自己多少认识;新招进来的学生,自己虽然不熟悉,可都已经年青化,最大的也就二十二三岁。
看着他鬼鬼祟祟的样子,孙元起严肃地喝问道:“你是谁?来办公室干什么?”。
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