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第14章 到集成电路从晶体三极管(3)

1983年,米勒和贝德罗兹接受了法国科学家查克拉维蒂的新思想和新观念,开始探讨镍基氧化物的超导电性,两年的时间过去了,结果一无所获。1985年夏天,他们看到法国冈城晶体和材料科学实验室发表的文献,是关于钡镧铜氧化合物方面研究工作的,于是决定研究这种混合价的铜基氧化物的超导电性。他们采用一套与法国冈城不同的方法,制得三相混合物,其中只有一种是钡镧铜氧化合物,呈八面体层状结构,与钙钛矿结晶一样。他们用这种物质测定超导电性,发现温度降到35K时电阻突然消失,35K与42K相比是个相对高的温度,高温超导研究的新篇章就这样揭开了。

实际上,冈城晶体和材料科学实验室1981年就合成出来这种钡镧铜氧化合物。1984年,该实验室还公布了这种化合物的结构、液态氮沸点温区的电学性能等,可惜他们没有把温度再下降而继续测定,否则高温超导的发现恐怕就不是瑞士苏黎世,而是法国冈城了,时间也会提前两年。当时的冈城晶体和材料科学实验室为什么没有继续向低温测试呢?是由于他们当时没有更低温度的测量设备吗?这可能只是问题的一个方面,根本问题是他们没有这方面的思想基础。冈城晶体和材料科学实验室当时研究变价铜基氧化物的目的,是为了寻找非金属导电材料,其意不在超导。而苏黎世研究所的物理学家却是专门寻找超导体,目标非常明确。由于两者的主攻目标、思想准备相差很远,当然就是结果不同的原因了。正如米勒和贝德罗兹在文章中所说,幸运只是他们成功的一个原因,更重要的是他们对变价金属氧化物作高温超导体的可能性已经有长期的理论准备、实验研究和深思熟虑。

1986年4月,米勒和贝德罗兹公布了钡镧铜氧化物陶瓷35K超导结果后,日本科学家田中等通过迈斯纳效应验证了米勒和贝德罗兹的实验结果。到12月,美国贝尔实验室、日本东京大学和中国科学院物理研究所将钡镧铜氧化物中的钡换成锶,获得40K以上的高温超导体;美国休斯顿大学的朱经武教授通过高压法掺杂钡,使钡镧铜氧化合物超导临界温度达到50K。

此后,在全世界范围内立刻就掀起了一个此起彼伏的超导热。首先,各国研究机构争相公布越来越高的超导温度纪录。1987年2~3月中国、日本、美国和西德的科学家又纷纷宣布,获得了78.5K~125K的超导转变温度,这是液氮的温区;4~6月又宣布超导温度提高到225K—305K(32℃);6月9日,前苏联莫斯科大学低温研究所报导说获得308K(35℃相当接近人的体温、高于室温)的超导转变温度。

在超导热潮中,各国的研究所、大学、企业转入超导研究的人数大增;美国、日本、中国等纷纷赶着急忙召开大型国际高温超导专题学术会议,参加人数之多、会议规模之大、气氛热烈程度,均属空前。

在风靡全球的超导热中,很多国家的政府、经济、科技部门以各种方式增强这方面的力量,支持这项研究工作,美国、日本和中国等,都由政府直接出面成立专门机构,协调全国企业、大学、研究机构的超导研究工作,并制定全国性发展超导研究与应用的战略方针和计划。美国总统里根亲自出席白宫和能源部联合召开的商业应用超导会议,并发表讲话表示支持;印度总理拉吉夫·甘地亲自出任印度国家科学局和技术局的超导委员会主席;美国、日本、中国、英国、印度等国,都紧急追加拨款,增加研究经费,加速进行超导研究和开发;美国、法国、日本等国已开始贮存和垄断钇和其他重要稀土超导资源。

在此期间,有关氧化物高温超导研究新进展的报导,遍及世界各国的大小报刊杂志上,整个世界好象要成了超导世界,这种单项科学研究形成如此广泛的热潮,在世界科学史上实属罕见。

那么,为什么在瞬间就会形成风靡世界的超导热呢?全世界学术、工业、经济和政界如此重视超导体的研究与开发,是因为高温超导体的开发应用将对人类社会的生产、生活以及科学认识都引起重大的影响。有人认为,高温超导体的发现可以与铁、电的发现对人类所产生的影响相比。有的学者预测,如果液氮温区的超导材料投入实用,将引起全世界工业的小革命;如果室温超导材料实现并投入应用,那将是全世界的一场工业大革命。而且这种前景并非十分遥远,美国的金融专家分析认为,到90年代后期,就能从超导材料上获取大量利益,超导材料在科技、产业、经济上有着重要的应用前途,这就是全球超导热的内在根源。

超导应用给人类带来的影响,可以从超导磁悬浮高速列车略见一斑。一般火车,因车轮与铁轨之间的强力摩擦,速度最高限度为每小时300公里,由于噪声、振动和保证安全等因素,实际运行速度远远低于300公里。如果使车轮离开铁轨,便能大大提高速度,超导磁悬浮就是这种安置。在火车车厢底座安装多组超导磁体,处于悬空的铁轨下方,磁体产生的强磁场与铁轨强力吸引,而把整个车厢抬悬起来,用计算机控制磁体电流大小,使磁体与铁轨间始终保持10厘米的空气间隙。列车由直线感应电动机驱动,其定子亦装在车厢下部,辅设于两条铁轨之间的一条铝质反应轨相当于转子,车厢悬浮时,定子与转子间有20毫米间隙。定子线圈通上交流电时,反应轨即形成感生电流。产生平移的旋转磁场,推动列车前进。磁悬浮列车没有车轮,靠磁力在铁轨上漂浮起来向前滑行,车速高、无噪声、运行平稳、转弯半径小(8米)、可以爬坡。磁体卡在铁轨下,列车不能脱轨,容易制动,安全可靠,特别适合于人口密集的大城市间运行,能耗与火车相近,营运费低。1987年,日本的超导磁悬浮列车载人试运行,时速达每小时408公里,预计可达每小时800公里。

1987年11月30日至12月5日,美国材料研究会在波士顿举行,3400名各国代表参加了会议,美国休斯顿大学的朱经武教授指出,虽然有各种超导温度的报导,但稳定重复的临界温度仍在90K~100K(-173℃)。1977年诺贝尔物理学奖获得者、美国普林斯顿大学的安德森博士认为,BCS理论无法解释高温超导陶瓷材料的特性,因此,研究的方向一是用各种分析手段从实验和理论,探讨超导物质内在结构,寻找根据,建立新的超导理论;另一方面是用不同成分与比例及不同工艺技术去研制新的超导材料,而最有吸引力的还是超导的实际应用。

1987年12月10日,随着米勒和贝德罗兹荣获诺贝尔物理学奖,历时两年风靡全球的超导热似乎已经过去。然而那只不过是争先报导超导临界高温记录的消息平静了,实质性的理论探讨和实际性的应用研究正在深入进行,不久将有新的进展和突破。

物理化学是以物理的原理和实验技术为基础,研究化学体系的性质和行为,发现并建立化学体系中特殊规律的学科。

随着科学的迅速发展和各门学科之间的相互渗透,物理化学与物理学、无机化学、有机化学在内容上存在着难以准确划分的界限,从而不断地产生新的分支学科,例如物理有机化学、生物物理化学、化学物理等。物理化学还与许多非化学的学科有着密切的联系,例如冶金学中的物理冶金实际上就是金属物理化学。

先进的仪器设备和检测手段也大大缩短了测定结构的时间,使结晶化学在测定复杂的生物大分子晶体结构方面有了重大突破,青霉素、维生素B12、蛋白质、胰岛素的结构测定和脱氧核糖核酸的螺旋体构型的测定都获得成功。电子能谱的出现更使结构化学研究能够从物体的体相转到表面相,对于固体表面和催化剂而言,这是一个得力的新的研究方法。

20世纪60年代,激光器的发明和不断改进的激光技术。大容量高速电子计算机的出现,以及微弱信号检测手段的发明孕育着物理化学中新的生长点的诞生。

20世纪70年代以来,分子反应动力学、激光化学和表面结构化学代表着物理化学的前沿阵地。研究对象从一般键合分子扩展到准键合分子、范德瓦耳斯分子、原子簇、分子簇和非化学计量化合物。在实验中不但能控制化学反应的温度和压力等条件,进而对反应物分子的内部量子态、能量和空间取向实行控制。

在理论研究方面,快速大型电子计算机加速了量子化学在定量计算方面的发展。对于许多化学体系来说,薛定谔方程已不再是可望而不可解的了。福井谦一提出的前线轨道理论以及伍德沃德和霍夫曼提出的分子轨道对称守恒原理的建立是量子化学的重要发展。

物理化学还在不断吸收物理和数学的研究成果,例如70年代初,普里戈金等提出了耗散结构理论,使非平衡态理论研究获得了可喜的进展,加深了人们对远离平衡的体系稳定性的理解。

中国物理化学的发展历史,以1949年中华人民共和国成立为界,大致可以分为两个阶段。在20世纪30~40年代,尽管当时物质条件薄弱,但老一辈物理化学家不仅在化学热力学、电化学、胶体和表面化学、分子光谱学、X射线结晶学、量子化学等方面做出了相当的成绩,而且培养了许多物理化学方面的人才。

1949年以后,经过几十年的努力,在各个高等学校设置物理化学教研室进行人才培养的同时,还在中国科学院各有关研究所和各重点高等学校建立了物理化学研究室,在结构化学、量子化学、催化、电化学、分子反应动力学等方面取得了可喜的成绩。

一般公认的物理化学的研究内容大致可以概括为三个方面:化学体系的宏观平衡性质以热力学的三个基本定律为理论基础,研究宏观化学体系在气态、液态、固态、溶解态以及高分散状态的平衡物理化学性质及其规律性。在这一情况下,时间不是一个变量。属于这方面的物理化学分支学科有化学热力学。溶液、胶体和表面化学。

化学体系的微观结构和性质以量子理论为理论基础,研究原子和分子的结构,物体的体相中原子和分子的空间结构、表面相的结构,以及结构与物性的规律性。属于这方面的物理化学分支学科有结构化学和量子化学。

化学体系的动态性质研究由于化学或物理因素的扰动而引起体系中发生的化学变化过程的速率和变化机理。在这一情况下,时间是重要的变量。属于这方面的物理化学分支学科有化学动力学、催化、光化学和电化学。

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