一）高临界温度超导研究
1．高温氧化超导材料的发现与超导机制的研究
迄今为止，已有5位物理学家由于超导电性的研究而获得诺贝尔奖。他们是：1957年
提
出BCS超导微观理论的美国物理学家巴丁（J.Bardeen）、库珀（L.N.Cooper）、施里弗
（
J.R.Schrif-fer），于 1972年获奖，从理论的提出到获奖时隔 15年； 1960年发现单电
子
超导隧穿效应的美国物理学家贾埃佛（J.Giaever）；1962年预言约瑟夫森效应的英国物
理
学家约瑟夫森（B.D.Josephsen），他们时隔11年后，于1973年获奖；1986年，在国际商
用
机器公司（IBM）苏黎士研究室工作的瑞士物理学家缪勒（K.A.Muller）和他的学生、德
国
物理学家 嘏 兹（J.G.Bednorz）发现Ba-La-Cu-O系统物质的高温超导性，于1987年获奖
。
他们的这一工作，如此快速地得到了诺贝尔评奖者的承认，这在诺贝尔颁奖历史中是极
为
罕见的，由此看出 嘏底群 缪勒工作的重要意义。
伴随着超导临界温度?高到液氮温区以上，超导技?的应用发生了一场新的技术革
命
。超导技术的影响，很快地波及到了电力工程、电能输送、电动机与发电机的制造、磁
流
体发电、超导磁悬浮列车、超导计算机、超导电子器件、地球物理勘探、地质学、生物
磁
学、高能加速器与高能物理研究等多种领域与学科。尽管高温超导体在实用上仅只处于
开
端，但它的远大前景已经展现出来了。1986年以来，瑞士、美国、日本、中国等国的科
学
家们，相继发现了多种高温氧化物超导材料。这些发现，在国际上引起了巨大的反响。
目
前，超导体的零电阻转变温度已经达到上百K。但是，这主要是实验物理学家的探索成果
，
在理论研究方面，仍还没有给出一种圆满的解释。超导理论研究与超导实验研究的飞速
发
展极不相适应。从这一角度看，高温氧化物超导材料的发现，无疑也是对超导理论研究
的
巨大冲击。BCS理论是第一个成功的微观超导理论。它很好地解释了大多数元素的超导性
质
。这一理论的出发点是电声子的相互作用。两个电子由于交换虚声子而产生引力，当这
一
引力超过库仑斥力时，电子双双地结成库珀对。库珀对的行为就像一个松散结合的大分
子
，它们在空间延伸的范围远大于晶格常数。成千上万个库珀对相互交叠，使电子系统获
得
某种“整体刚性”，它们能克服个别散射事件造成的阻力，而产生零电阻现象。同时，
它们还能抗拒外来磁场的进入，而导致迈斯纳效应。然而，新发现的氧化物超导体都有
一个共同的特点，即具有一个铜-氧层，并表现为空穴导电。BCS理论在Cu-O在高温超导
体
中，效应并不明显，人们不得不对BCS理论的适应性提出了怀疑。1987年，安德森（P.W.
A
nderson）提出了共价键理论①。该理论认为，氧化物超导体的母晶体，可以认为是莫脱
（
Mott）型绝缘体，其中的电子由于强相互关联作用被定域在各个格点附近。相邻格点的
电
子自旋相反而构成单重态共价键。通过掺杂后，局域化的共价键系统受到驱动，通过超
交
换作用，使其退局域化而流动起来。若在流动中还能保持原有的配对关系，则可视为大
量
定域共价键发生共振而转变的一种超流的库珀对，绝缘晶体则转化为超导体。这种
由
实空间定域配对转变为能量空间的非局域配对机制，称为“共振价键理论”。这一理论
是
一种全电子理论，它与晶格振动没有直接联系，它能说明新的超导体的弱同位素效应。
但
是，由于用它说明具体问题时，还需引入一些辅助性假设，目前还未得到公认。
还有一种称为双极子机制的理论。该理论认为，氧化物超导体中含有正负离子交换
复
式晶格。由于极化电场的存在，导致强电声子相互作用。当电子在晶格间运动时，造成
附
近晶格畸变。电子与“畸变”一起运动，可以构成复合粒子，称为极化子。当两个极化
子
相互靠近时，联合畸变将形成双极化子。无数个双极化子在空间的流动，即形成超导态
。
双极化子理论并未超出BCS理论的框架，与库珀对比较，双极化子理论则更接近实际情况
。
考虑到新超导材料的空穴导电机制，另一种激子理论认为，氧化物超导体可视为在
氧
化铜层两侧各有一金属层，而形成夹层结构。当金属层中的电子靠近氧化铜层时，电子
的
波函数部分有可能隧穿入氧化层，使其中的负电荷被排斥而显示一个带正电的空穴。电
子
与空穴的库仑吸引，形成电子- 空穴束缚对，称为激子。同时带正电的空穴还能把另一
侧
金属层中的一个电子拉过来，于是两金属层中的电子，通过氧化层的空穴两两配对，构
成
库珀对而实现超导态。激子机制理论可以阐明氧化物超导体的空穴导电、各向异性输运
等
特点。问题在于是否能把这种结构视为金属层与氧化物层的交叠，该理论还有待进一步
完
善。s
2．重费密子体系及其超导电性研究
电子比热系数γ＞400mJ/mol·K2的物质，常被称为重费密子系统。它比一般材料的
γ
值高出1～2个数量级。因为γ值与费密能级的态密度成正比，而后者又与电子的有效质
量
成正比，γ值越大意味着电子的有效质量越高，故称为重费密子系统。1975年，安德鲁
斯
（K.Andres）等人发现，化合物CeAl3低温下的电子比热反常现象，电子比热系统γ值达
到
1620mJ/mol·K2。 1979年，德国达姆斯塔特的斯泰格利士（F.Steglich）研究小组发现
了
重费密子系统CeCu2Si2的超导电性，其γ值为1100mJ/mol·K2，电子有效质量约为
100me
①
。1983年，第二个重费密子超导体Ube13被发现，Tc～0.9K，化合物中铀原子间距5.13②
。
1984年，美国洛斯阿拉莫斯的特瓦特（Tewart，C.R.）小组又发现了第三个重费密子超
导
体Upt3③，Tc～0.5K。以后又陆续发现了重费密子超导体NpBe13、U2Zn17、Ucd11以及
Ce
C
u6等。这一连串的发现表明，高温氧化超导体发现之前，重费密子超导电性曾一度成为
热
门课题。然而在1986年以后，重费密子超导电性的研究一度被高温新超导材料的浪潮所
淹
没。近年来，这一领域又陆续出现了一些十分引人**************的新现象。
近年来的实验研究发现，在低温条件下，重费密子材料与通常的导电金属有着截然
不
同的性质。首先，在室温以下，一般金属的电阻率随温度下降得很快；重费密子系统的
电
阻率却随温度下降而迅速上升，到50K处，有一极大值后，才随温度下降。其次，重费密
子
材料的比热性质也与一般金属不同。在通常金属中，比热可以用Cp=γT+βT2描述。在低
于
10K的低温区，由于只考虑电子的热贡献，只计γT即可。此时Cp/T与 T的关系曲线具有
正
斜率，即Cp随温度下降而降低；然而重费密子系统却相反，在低于10K的低温区内，Cp/
T
随
温度T的下降而明显上升，γ也不再为常数，它强烈地依赖于温度，这种γp/T随温度下
降
而上升的性质称为比热反常。比热反常表明，在趋于绝对零度时，重费密子体系的γ值
很
大。这说明，此时的电子密度在费密面附近很大，也即处于这些状态的电子具有非常大
的
有效质量；更有趣的是，这些材料在低温条件下的磁化率Xm也像γ值一样高于正常的金
属
。因此有理由相信，这两个值的增值效应可能同出于一个源。
重费密子系统磁化率Xm很大，这一点使人们想到，它们可能是由强重正化准粒子组
成
※ 来源:·BBS 水木清华站 th.org·[FROM: 166.111.184.45]
有效质量；更有趣的是，这些材料在低温条件下的磁化率Xm也像γ值一样高于正常的金
属
。因此有理由相信，这两个值的增值效应可能同出于一个源。
重费密子系统磁化率Xm很大，这一点使人们想到，它们可能是由强重正化准粒子组
成
的费密液体。1956年，前苏联物理学家朗道（Landau,LevDavidovich1908～1968）曾提
出
了有关费密液体的理论。近年来，对于重费密子系统电子质量异常增大、它们的电子比
热
与BCS理论不符以及它们有无新的超导机制等疑问引起了物理工作者广泛的兴趣。尽管重
费
密子体系的Tc不高，大约只有1K，在当前高温超导研究中，并无实用价值，但是人们发
现
，它们的Tc对杂质十分敏感，它们的超导性与磁性也有密切的关系，这些方面，均与传
统
的超导材料有明显的差异。研究它们的机制，将使人们对超导电性的认识更深化一步。
目
前，各种模型与理论陆续提出，有人认为，重费密子的超导电性根源来自3p态原子的配
对
；有人则认为由于自旋相关造成强烈各向异性的1s态配对，总之各种探索性的理论仍在
发
展中。
