低温物理与技术-教学内容和绪论.ppt

超导，超流的发现均依賴于液氦的获得，Onnes可称得上低温物理之父。 Onnes液化氦气成功后，將各种金属浸在液氦里測量其电阻，他的助手在測量浸在液氦中的水银时，发现水银完全无电阻。这个发现宣告了超导的诞生（1911年），Onnes为此获得1913年的诺贝尔奖。 Onnes或許还有一項“成就”值得一提，那就是在1901年，他沒有雇用来信求职的爱因斯坦做实验室助手，否则，爱因斯坦可能成为一个低温物理学家，而人类可能到现在都还沒有相对论。 与超导从发现，确认到頒奖的迅速过程相比，超流现象从初露端倪到确认如同一个极度难产的嬰儿，要历经长长的近三十年。1910年，Onnes他们在2.2K温度处发现了液氦密度有异常，但他们放过了这个异常，隨后就全力投入到新发现的超导现象的研究中。直到1922年，昂尼斯他们才从超导的研究中转回来重新研究这个异常。在这段时期里，由于超导现象可能帶来的巨大经济利益，氦的液化技术是Onnes独家掌握，秘不外傳的。1923年，加拿大多伦多大学的Sir J. McLennan得以复制昂尼斯的氦液化器，从此加拿大亦进入低温物理研究領域。1934年，在英国主持蒙德实验室的苏联科学家P. Kapitsa，自行设计並制造了独特的氦液化器，长达二十多年的氦液化技术的垄断逐得以打破。 Kapitsa于1935年回苏联探訪时为斯大林所扣留，要他參加苏联的建设，此后Kapitsa一直在苏联工作。在确信Kapitsa不能再回到英国后，剑桥大学同意让苏联购买蒙德实验室的全套设备回苏联，除了那台Kapitsa设计制造的氦液化器。Kapitsa很快就在莫斯科建立了低温实验室並重新造了一台氦液化器，开始了他的研究工作。1938年自然杂志的一月刊，登载了Kapitsa确认4He超流性质的文章，同期杂志亦登载了多伦多大学J. Allen与D. Misener的超流文章。至此，4He在2.2K温度以下的超流状态得以确认，Kapitsa于1978年获诺贝尔奖。 3He的超流性质要在2.7mK处才显示出来，这对低温技术要求极高。1972年，美国康乃尔大学的三位物理学家从实验上确认了3He的超流性质。1996年，他们三人， R. Richardson， D. Lee 和D. Osheroff获诺贝尔奖。 3He雖然是4He的同位素，但3He原子作集体運动时的統计性质全然不同于4He，解释4He超流性质的理论不能用于解释3He。Leggett于1975年建立了成功地描述3He超流性质的理论，这个工作使Leggett获得今年的诺贝尔奖。 自1935年起回苏联工作的Kapitza是个优秀的实验物理学家，在苏联有着很大的影响力。Kapitza又聘到了极其优秀的理论物理学家，朗道（L. D. Landau），来负責理论部的科研，他倆的合作有力地推动着苏联的物理学发展。当朗道于1938年由于嚴重的政治問題被捕时，Kapitza冒着极大的風險上書，請求史达林留下朗道为国效力。朗道于1940年被释放后，一直在Kapitza的監護下工作，Kapitza是朗道政治行为的擔保人。这种監護雖不公开，但朗道从此再也不能出国与同行交流。 朗道是一个全面的，傑出的理论物理学家，与他名字有關的物理学理论和概念在近代物理中隨处可見。然而，朗道也有失誤的时候。2003年的两位因超导而得诺贝尔奖的科学家，都与朗道有历史的淵源和糾葛。 Ginzburg一生只与朗道合作过一篇文章（1950），这篇文章建立了Ginzburg-Landau理论（GL equation），也就是今年Ginzburg得诺贝尔奖的工作。在这个理论中有两个參數，由这两个參數引出了朗道与Ginzburg及朗道与他的学生，Abrikosov，的故事。 在GL理论中有一个电荷參數，在GL理论提出的当时並不能确切知道这个參數值是多少。Ginzburg要把这个參數称为“有效电荷”，亦即講得含糊一點，要留有餘地，但朗道不同意，朗道在文章中寫道“沒有理由来相信这个參數值会不同于电子电荷”。Ginzburg在其后来的研究工作中覺得这个电荷參數應該是2到3倍的电子电荷，于是Ginzburg單独寫了一篇文章，將此看法于1956年发表。在这篇文章中，Ginzburg也寫了朗道对这个觀點的不同看法。1957年，由美国的Bardeen，Cooper和Schrieffer 的BCS提出的超导微觀理论表明，超导中的电荷是配对運动的，所以这个參數值的确應該是两倍的电子电荷，而这种电子配对的圖像，也有实验證据的支援。Ginzburg本人在多年以后都一直为自己沒有能想到电子配对的圖像而懊惱不已。