高溫超導體研究與諾貝爾物理獎


1987年12月216期｜上一篇｜下一篇＃發行日期：1987、12 ＃期號：0216 ＃專欄：高溫超導體專輯＃標題：高溫超導體研究與諾貝爾物理獎＃作者：古煥球　林雪蕙．突破30K ．第四個諾貝爾獎．沈迷於超導體的穆勒．思慮縝密的貝德諾茲．圖一：貝德諾茲和穆勒（右）．圖二：在不同電流密度，x（Ba）＝0.75多相樣本的低溫電阻率。．圖三：（La_1.85Ba_0.15）CuO₄之四角結構（室溫中子粉末繞射資料）。		高溫超導體研究與諾貝爾物理獎今年八月二十日第十八屆低溫物理國際會議，於日本京都國際會議廳舉行開幕典禮，按慣例由主席宣布本屆倫敦獎（London Prize）得主。當他揭曉該獎的三分之一，由首先發現30K高溫超導氧化物的西德貝德諾茲（J. G. Bednorz）和瑞士穆勒（K. A. Müller，見圖一）合得時（註一），全場觀禮人士包括我在內，都有很強的預感，再下來就輪到他們獲得今年諾貝爾獎了。果然不出所料，十月中旬諾貝爾物理獎宣布由他們兩人共享。站在國人的立場，我們很失望，發現90K超導體的朱經武不能共享諾貝爾獎，但有一點確定的是貝德諾茲和穆勒是百分之百值得這個獎的，因為他們是首先發現高溫超導氧化物的人。突破30K 去年四月，貝德諾茲和穆勒從瑞士的IBM蘇黎士研究實驗室，投了一篇論文到德國凝體物理雜誌（Zeitschrift fü r Physik B－Condensed Matter），題目是「鑭－鋇－銅－氧系統中可能的高臨界溫度（T_c）超導性」（Possible high T_csuperconductivity in the La-Ba-Cu-O system）。他們宣稱在這個系統裏，有一種金屬缺氧化合物，結構類似鈦酸鈣結構（perovskite），其電阻率在降溫時隨溫度而線性降低，然後大致依對數方式上升，有局部化的趨勢，最後在30K左右突然開始下降了三個數量級，很像有超導性產生。電阻率的下降溫度很明顯隨電流密度的增加而減低。這篇論文於四月十七日收到後按正常程序於九月出版。當時我正在美國愛荷華州立大學研究，做磁性超導硼化物及重費米子超導矽化物，這本雜誌經海運於十一月運抵圖書館。我看到時並沒有太大的反應，主要的原因是我們不做氧化物，直覺印象覺得他們的化學共同沈澱法很難做，而且歷年來所謂高溫超導體的錯誤消息一直不斷，因此和大多數人一樣，並不太相信。事實上，全世界看到這篇論文而馬上動手研究的只有四個本來就做氧化物的研究小組。較早的兩個小組，一個是美國休斯頓大學的朱經武，另一個是日本東京大學的田中昭二（S. Tanaka）。他們一個用固態反應法，一個用化學共沈法複製La－Ba－Cu－O系統，確定在30～40K左右有超導轉變。田中小組的第一篇論文於去年十一月二十二日投到日本應用物理學刊（JJAP），朱經武的第一篇論文於去年十二月十五日寄到美國物理評論通訊（PRL）。另外兩個小組是美國AT＆T貝爾實驗室的凱瓦（Cava）、巴特洛格（Batlogg）等人及大陸北京中國科學院的趙忠賢等人，他們在相似結構La－Sr－Cu－O系統中也看到35～40K超導體。同時，大家也確定超導體結構是（La_2-xA_x）CuO_4-δ（A＝Ba﹐Sr﹐Ca﹐註二）。我們在今年一月初接到他們的論文初稿，馬上全力投入高溫超導研究，我並且要求我在清華的博士班學生戴明鳳停止現有研究轉做高溫超導體（後來全研究小組完全改做超導體）。當時在愛州大學，每星期六早上十點開始，有一個二十人左右的小組討論高溫超導體（美國人星期六是不用上班的，可見盛況有多熱），全力卯上。二月初，朱經武和阿拉巴馬大學Huntsville分校的吳茂昆，又更進一步宣布發現超導臨界溫度（T_c）高達90K以上的Y－Ba－Cu－O化合物。我們馬上放棄30K超導體拼命追趕，在二月底和布魯克海文國家實驗室合作發現了第二個90K高溫超導體Lu－Ba－Cu－O化合物。三月十八日，我參加在紐約市舉行的美國物理學會年會的高溫超導體馬拉松討論會，第一次見到了穆勒和貝德諾茲，三千多人從晚上七點半開始一直開到第二天清晨三點才結束，畢生難忘。所有這一切狂熱發展，追根究柢，完全歸功於他們兩人開創性的發現，這也是他們為什麼榮獲諾貝爾物理獎的原因。第四個諾貝爾獎 1986年以前，最高溫的超導體是1973年發現的Nb₃Ge（T_c＝23K）。而氧化物中T_c高於10K的超導體只有兩個：一個是1973年強斯頓（D. C. Johnston）等發現的LiTi₂O₄（尖晶石spinel結構），其超導起始溫度可達13.7K；另一個是1975年史萊特（A.W.Sleight）等人發現的Ba（Pb_1-xBi_x）O₃系統（鈦酸鈣結構），在x＜0.35有超導性，而在x~0.3左右T_c可高達13K。這類氧化物的載電粒子濃度比一般金屬低，每立方公分在2～4×10²¹左右，而且Bi有混價行為（Bi³⁺，Bi⁵⁺）。鈦酸鈣結構有很多是鐵電材料（ferroelectric materials），如BaTiO₃及SrTiO₃，而當SrTiO₃注入Nb時，雖然載電粒子濃度極低，但在低溫下有超導性（T_c＝0.7K）。穆勒本人是鐵電專家，對超導也有興趣，因此花了不少時間研究這些材料的低溫性質。最後他們時來運轉選上La－Ba－Cu－O系統，比照鈦酸鈣結構做了（La_5-xBa_x）Cu₅O₃₍₅_-x)樣本。雖然這些樣本的Ｘ光粉末繞射顯示有三種不同的結構，但低溫電阻率顯示許多低鋇樣本（如x＝1.0及x＝0.75）在30K左右電阻率會開始下降，好像有超導轉變存在。其中一個樣本（x＝0.75），在35K左右就有超導起始變化，到13K時電阻完全降到零（見圖二），超導轉變溫寬△T_c極寬，電流密度增加，超導溫度會下降，有典型的顆粒超導性（granular super conductivity），超導晶粒間彼此鬆弛地接觸。圖二中的溫寬△T_c和35K以上之電阻上升是由於樣本多相的原因，如做成（La_2-xBa_x）CuO_4-δ樣本（見圖三），則在x＝0.15左右，電阻率會隨溫度的下降而成線性減低，同時電阻會在30～35K左右完全變成零。穆勒和貝德諾茲在這篇論文中首次證實，在氧化物可找到更高溫的超導體，35K比舊紀錄高了12K，這是一項了不起的成就，也再度說明了在超導體研究中，最前端的研究方式是用經驗方式來尋找新材料！他們拿到的諾貝爾物理獎，是超導體研究的第四個諾貝爾獎（註三），也使IBM蘇黎博士實驗室連續兩年拿到諾貝爾物理獎〔去年賓尼西（Binning）和羅勒（Rohrer）以電子掃描穿隧顯微術獲獎〕。註一：另外三分之二由美國的克拉克（J.Clarke）和日本的近滕淳（J.Kondo）得到。註二：（La_2-xA_x）CuO_4-δ的性質相當複雜，不同的比例下不但有超導性也有反鐵磁性，晶體結構也有K₂NiF₄型四角晶格結構及變形的正交晶格結構（詳見本期「高溫超導銅氧化物的晶體結構」）。註三：1913年荷人翁納斯（H.K.Onnes）因發現超導性及製造液態氦而獲獎，1972年美人巴定（J. Bardeen）、古柏（L.N.Cooper）及席里佛（J.R.Schrieffer）因發展超導理論而獲獎，1973年英人約瑟夫遜（B.Josephson）因發現超導體的穿隧效應與另兩人獲獎。古煥球任教於清華大學物理系，本刊編輯委員沈迷於超導體的穆勒林雪蕙贏得今年諾貝爾物理獎的穆勒，據說是個強人，對自己的想法信心十足並且努力以赴促其實現。這位現年60歲的瑞士物理學者，1958年取得瑞士聯邦理工學院的博士學位。自1963年以來，他一直在IBM蘇黎士研究實驗室從事固態物理研究；自1982年起受聘為IBM榮譽研究員（IBM fellow），使他有時間致力於研究自己感興趣的題目。他的一位在貝爾實驗室工作的朋友巴特洛格說，他「就是讓超導的遠景給迷住了」。他從陶瓷做起，希望能在較高溫下，生產一種無電阻的材料。不過他並沒有向很多人提及這項工作，只是默默在做。他的業餘嗜好是滑雪和遠足，喜歡到阿爾卑斯山去找靈感。（取材自 "Winners of Nobels in chemistry and physics", New York Times, Oct. 15, 1987.）思慮縝密的貝德諾茲林雪蕙現年37歲的貝德諾茲與穆勒分享物理獎，他是這研究小組的實驗家，擅長製作與測試新陶瓷材料，因而促成這領域的突破。貝德諾茲生於德國，在Münster大學完成學士教育。1982年取得瑞士聯邦理工學院的博士學位，同年加入IBM蘇黎士研究實驗室。紐約州IBM華特生研究實驗室的葛林，形容他是一個小心翼翼的人：「對他所從事的工作，他一向思慮縝密，態度保留，不誇大其辭。」據巴特洛格透露，貝德諾茲由穆勒引介加入超導研究計畫；他正擁有製作超導陶瓷的確切知識。巴特洛格又說：「合成的工作需要特定的技術，貝德諾茲是恰當人選。此外，還需要將化學與固態物理結合起來思考才行。」而受過這樣訓練的人卻「非常非常少」。（取材自 "Winners of Nobles chemistry and physics", New York Times, Oct. 15, 1987）
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