以高溫超導(dǎo)電性實(shí)驗(yàn)教學(xué)提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,高等教育論文1911年,荷蘭物理學(xué)家Onnes發(fā)現(xiàn)汞〔Hg〕在4.2K時(shí)電阻忽然降到零，這就是所謂的超導(dǎo)現(xiàn)象，而電阻忽然降為零時(shí)的溫度被稱為超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度或臨界溫度，用Tc表示。一年后，Onnes又發(fā)現(xiàn)足夠強(qiáng)的磁場(chǎng)和電流都能毀壞其超導(dǎo)電性。此后，很多科學(xué)家致力于尋找新的超導(dǎo)體及設(shè)法提高超導(dǎo)臨界溫度Tc有利于其應(yīng)用。1986年,Muller和Bednorz初次發(fā)現(xiàn)層狀氧化物高溫超導(dǎo)體Ba-La-Cu-O的Tc到達(dá)30K，從此掀起了全球范圍內(nèi)超導(dǎo)研究的熱潮。1987年，美籍物理學(xué)家朱經(jīng)武和臺(tái)灣物理學(xué)家吳茂昆以及中國(guó)科學(xué)家趙忠賢相繼把釔-鋇-銅-氧〔YBCO〕系材料的Tc提高到92K以上,此發(fā)現(xiàn)使人類無需使用昂貴的液氦〔4.2K〕且可改用較經(jīng)濟(jì)的液氮〔77K〕做制冷劑即能觀察到超導(dǎo)現(xiàn)象,YBCO這正是當(dāng)前近代物理實(shí)驗(yàn)中所選擇的重要超導(dǎo)材料之一。在實(shí)驗(yàn)上,超導(dǎo)體的各種性質(zhì)已被廣泛研究。超導(dǎo)體除具有零電阻特性外,在1933年，Meissner等人發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)體的另一個(gè)重要性質(zhì)：完全抗磁性〔perfectdiamagnetism〕，又稱Meissner效應(yīng)，即超導(dǎo)體處于弱磁場(chǎng)及Tc下面時(shí)，磁通線無法穿過其體內(nèi)。當(dāng)外磁場(chǎng)足夠強(qiáng)，磁通線則能夠進(jìn)入超導(dǎo)體，進(jìn)而徹底毀壞超導(dǎo)態(tài)，對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)稱為臨界磁場(chǎng)Hc。超導(dǎo)體可分成Ⅰ類和Ⅱ類超導(dǎo)體：第Ⅰ類超導(dǎo)體只存在1個(gè)臨界磁場(chǎng)Hc，當(dāng)外磁場(chǎng)HHc時(shí)，呈完全抗磁性，體內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度為零；第Ⅱ類超導(dǎo)體具有2個(gè)臨界磁場(chǎng)，分別用Hc1〔下臨界磁場(chǎng)〕和Hc2〔上臨界磁場(chǎng)〕表示，當(dāng)外磁場(chǎng)HHc1時(shí)，呈完全抗磁性，當(dāng)Hc1HHc2時(shí)稱為混合態(tài)或渦旋態(tài)，此時(shí)超導(dǎo)態(tài)和正常態(tài)共存，磁力線通過超導(dǎo)體內(nèi)的正常態(tài)區(qū)域，外磁場(chǎng)增加，則超導(dǎo)態(tài)區(qū)域進(jìn)一步縮小，當(dāng)HHc2時(shí)超導(dǎo)態(tài)變?yōu)檎B(tài)。在這里需要指出的是大部分的超導(dǎo)合金及高溫超導(dǎo)體都屬于Ⅱ類超導(dǎo)體。在超導(dǎo)材料從正常態(tài)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)的相變經(jīng)過中，超導(dǎo)體的物理性質(zhì)會(huì)發(fā)生很大的變化。下面就以高溫超導(dǎo)電性實(shí)驗(yàn)為對(duì)象，闡述利用近代物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)來激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)力并培養(yǎng)其從事科學(xué)研究意識(shí)所起的積極作用。1、高溫超導(dǎo)實(shí)驗(yàn)近代物理實(shí)驗(yàn)是高等院校物理學(xué)專業(yè)學(xué)生必修的一門基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課，其地位介于普通物理實(shí)驗(yàn)和科研性實(shí)驗(yàn)之間，具有承上啟下的作用。作為一門具有較高理論基礎(chǔ)和較強(qiáng)技術(shù)操作要求的課程,近代物理實(shí)驗(yàn)對(duì)拓展學(xué)生的科技前沿領(lǐng)域知識(shí)、引導(dǎo)學(xué)生涉足科研領(lǐng)域及培養(yǎng)其創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力等方面具有極其重要的作用。低溫物理學(xué)是凝聚態(tài)物理中的一個(gè)重要研究領(lǐng)域，也是近代物理實(shí)驗(yàn)的一個(gè)重要組成部分。低溫物理實(shí)驗(yàn)主要以高溫超導(dǎo)材料YBCO為對(duì)象，研究其電阻隨溫度變化的R-T曲線、測(cè)量高溫超導(dǎo)體的臨界轉(zhuǎn)變溫度Tc，進(jìn)而在理論和實(shí)驗(yàn)上理解超導(dǎo)體的零電阻特性。眾所周知,在通常條件下，一般金屬的電阻隨溫度的下降而不斷減少，其R-T曲線如此圖1〔a〕所示。但對(duì)超導(dǎo)體材料而言，當(dāng)溫度降至Tc下面時(shí)，超導(dǎo)體的電阻就忽然降為零，如此圖1〔b〕所示。圍繞超導(dǎo)體的基本性質(zhì)，還可延伸出其他幾個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)。開設(shè)高溫超導(dǎo)實(shí)驗(yàn)的目的在于使學(xué)生熟悉超導(dǎo)材料的基本特性及其發(fā)展應(yīng)用狀況，了解高溫超導(dǎo)體的測(cè)量技術(shù)和原理。因而，對(duì)高等院校物理學(xué)專業(yè)的學(xué)生介紹低溫實(shí)驗(yàn)和超導(dǎo)的知識(shí)是特別必要的。如液氮的使用、超導(dǎo)磁體以及永久電流實(shí)驗(yàn)等。同時(shí),利用超導(dǎo)體的Meissner效應(yīng)，給學(xué)生展示高溫超導(dǎo)體的磁懸浮實(shí)驗(yàn)。把一輛嵌有高溫超導(dǎo)材料的小車模型放入液氮中浸泡幾秒鐘，用竹夾子把小車放在一個(gè)永久磁鐵做成的軌道上，然后對(duì)其施加沿道軌方向的力，可看到小車順著磁軌道作周期性的水平運(yùn)動(dòng)，直到溫度高于臨界溫度Tc后失去超導(dǎo)性，小車落在軌道上。更令人驚奇的是把軌道平面翻轉(zhuǎn)180后，超導(dǎo)小車倒掛起來仍能夠沿著軌道運(yùn)動(dòng)，這些奇異的現(xiàn)象往往會(huì)引發(fā)學(xué)生驚嘆，進(jìn)而誘導(dǎo)學(xué)生去考慮更深層次的問題。與此同時(shí)，老師在教學(xué)經(jīng)過中若能向?qū)W生明確提出一些問題，如當(dāng)前超導(dǎo)體的主要應(yīng)用到底有哪些？其工作原則是什么？研究超導(dǎo)電性除實(shí)驗(yàn)方式方法外還有什么方式方法？并要求學(xué)生去查閱相關(guān)的科技文獻(xiàn)，在1個(gè)月后再組織一次學(xué)生的學(xué)習(xí)情況報(bào)告會(huì)。由此可進(jìn)一步激發(fā)一批學(xué)生對(duì)超導(dǎo)電性的學(xué)習(xí)和研究興趣，并積極引導(dǎo)部分學(xué)生在做畢業(yè)論文〔設(shè)計(jì)〕時(shí)能選擇高溫超導(dǎo)電性的計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬計(jì)算，以此來培養(yǎng)和穩(wěn)固學(xué)生從事科學(xué)研究的意識(shí)和熱情。2、磁通動(dòng)力學(xué)模擬研究由于第Ⅱ類超導(dǎo)體中存在2個(gè)臨界磁場(chǎng)，因而存在一些特殊的物理性質(zhì)。1957年，Abrikosov從理論上進(jìn)一步研究了超導(dǎo)體在外磁場(chǎng)中的行為，發(fā)如今Ⅱ類超導(dǎo)體中，磁場(chǎng)其實(shí)是以量子化的磁通渦旋進(jìn)入超導(dǎo)體內(nèi)部的，一個(gè)磁通量子為0=h/2e〔約2.06710-15Wb〕，華而不實(shí)h為普朗克常數(shù)，e為電子電量。在低溫和低磁場(chǎng)下，量子磁通渦旋將有序地排列。量子化的磁通很快就被實(shí)驗(yàn)證實(shí)，單量子磁通線組成一個(gè)周期性的二維磁通格子，理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果都得到磁通是一個(gè)三角點(diǎn)陣排列，并開拓了牽涉超導(dǎo)應(yīng)用的一個(gè)重要領(lǐng)域超導(dǎo)體的磁通動(dòng)力學(xué)研究。作為高溫超導(dǎo)物理實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步延伸，并且也是搭建其與科學(xué)研究的有效橋梁，可在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，讓學(xué)生繼續(xù)通過計(jì)算機(jī)模擬運(yùn)算來學(xué)習(xí)高溫超導(dǎo)體的混合態(tài)性質(zhì)，即開展磁通動(dòng)力學(xué)模擬的相關(guān)研究工作。高溫超導(dǎo)體中磁通動(dòng)力學(xué)的行為和材料中雜質(zhì)的缺陷而構(gòu)成的釘扎作用、磁通與磁通間的排擠作用、外加的驅(qū)動(dòng)力作用和熱噪聲的作用等有著密切關(guān)系。在高溫超導(dǎo)體的混合態(tài)里當(dāng)有外加的電流時(shí)，磁通遭到洛倫茲力的作用而運(yùn)動(dòng)，而釘扎的存在將阻礙磁通的運(yùn)動(dòng)，在臨界電流Ic下面釘扎力抵消洛倫茲力使得磁通固定不動(dòng)，進(jìn)而保持無能量耗散的超導(dǎo)狀態(tài)。當(dāng)洛倫茲力大于某一臨界驅(qū)動(dòng)力Fc0時(shí)，則磁通開場(chǎng)集體運(yùn)動(dòng)。在零溫下，磁通的平均速度v和洛倫茲力F知足v〔F-Fc〕，華而不實(shí)為臨界指數(shù)。運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬來研究高溫超導(dǎo)體的混合態(tài)中的磁通運(yùn)動(dòng)，不僅可得到高溫超導(dǎo)的電磁及輸運(yùn)性質(zhì)，還可探尋求索系統(tǒng)非平衡態(tài)行為。研究模型是由s個(gè)一樣的超導(dǎo)面互相平行疊加組成，每一層的厚度均為d且包含有NV個(gè)渦旋薄餅〔PV〕和Np個(gè)釘扎〔pin〕，釘扎中心隨機(jī)分布，因而模型可對(duì)應(yīng)于YBCO高溫超導(dǎo)體。考慮外磁場(chǎng)方向垂直于超導(dǎo)面，則穿過超導(dǎo)體的磁通線可處理為連接渦旋薄餅的彈性繩。假設(shè)第i個(gè)PV在ri處所受過阻尼運(yùn)動(dòng)的方程為：這里的是粘滯系數(shù)，UVV是渦旋-渦旋互相作用，UVP是渦旋-釘扎互相作用，F(xiàn)L是洛倫茲力，其詳細(xì)形式參見文獻(xiàn)。在模擬中考慮釘扎強(qiáng)度為，并且在三維空間中采用周期性的邊界條件。對(duì)動(dòng)力學(xué)方程采用二階Rugen-Kutta算法進(jìn)行積分，進(jìn)而可求得磁通的運(yùn)動(dòng)速度。假如初始時(shí)刻在垂直磁場(chǎng)方向加一驅(qū)動(dòng)力FFc0，當(dāng)?shù)竭_(dá)動(dòng)態(tài)平衡時(shí)將F忽然降到Fc0時(shí)，磁通就會(huì)漸漸被集體釘扎住。因而，可用動(dòng)畫做出磁通隨時(shí)間變化的運(yùn)動(dòng)經(jīng)過，使學(xué)生得到詳細(xì)形象的感受。圖2給出磁通線在動(dòng)態(tài)平衡以及被集體釘扎住時(shí)在某一超導(dǎo)層內(nèi)的分布情況。從圖2可發(fā)現(xiàn)，磁通在動(dòng)態(tài)平衡時(shí)處在釘扎區(qū)域的數(shù)目很少，而被集體釘扎時(shí)有較多的磁通線處在釘扎區(qū)域，進(jìn)而給出釘扎力的直觀感受。圖2超導(dǎo)層內(nèi)的PV分布圖，空心圓點(diǎn)表示釘扎，濃黑點(diǎn)表示FFc0時(shí)動(dòng)態(tài)平衡下的PV分布，淡黑點(diǎn)三角表示F=Fc0磁通被集體釘扎住的PV分布當(dāng)橫向電流產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力隨時(shí)間作周期性變化，即FL=Asin〔t〕且AFc0，進(jìn)一步考察磁通線在溝通驅(qū)動(dòng)力作用下的速度-力〔v-F〕的變化關(guān)系。經(jīng)屢次模擬取平均值，可得到如此圖3所示曲線。由圖3可得，與恒力作用下的v-F曲線圖不同，它有一個(gè)滯后的現(xiàn)象;當(dāng)驅(qū)動(dòng)力F隨時(shí)間減小且0FFc0時(shí)速度v0。對(duì)此的解釋是:驅(qū)動(dòng)力很小時(shí)，由于遭到釘扎力的作用，磁通的集體運(yùn)動(dòng)遭到抑制，但被釘扎住的磁通線遭到本身彈性力的作用而調(diào)整其彎曲程度，使其趨向于筆直狀態(tài)以到達(dá)最低能量狀態(tài)，進(jìn)而得到一個(gè)與驅(qū)動(dòng)力方向相反的速度。當(dāng)FFc0時(shí)，由于釘扎和驅(qū)動(dòng)力隨時(shí)間變化，磁通的平均速度沒有足夠時(shí)間調(diào)整到恒力條件時(shí)的穩(wěn)定狀態(tài)〔圖3紅色曲線〕，進(jìn)而在速度增加方向，一樣溝通驅(qū)動(dòng)力和恒力作用下，前者對(duì)應(yīng)的磁通速度要小些。圖3溝通驅(qū)動(dòng)力作用下的v-F變化關(guān)系。箭頭表示力隨時(shí)間增加〔減小〕的方向，紅線表示在不同恒力作用下的v-F曲線。因而，利用計(jì)算機(jī)模擬研究可較直觀地表示出磁通線在混合態(tài)中的運(yùn)動(dòng)情況，使學(xué)生比擬清楚地認(rèn)識(shí)到混合態(tài)中的豐富物理性質(zhì)，這將有助于引導(dǎo)學(xué)生理解高溫超導(dǎo)體的特殊性質(zhì)，進(jìn)一步加深對(duì)物理學(xué)研究方式方法和研究手段的認(rèn)識(shí)。3、結(jié)束語(yǔ)綜上所述，近代物理實(shí)驗(yàn)承當(dāng)著連接大學(xué)普通物理實(shí)驗(yàn)與創(chuàng)新科學(xué)研究的橋梁，對(duì)高等院校物理學(xué)專業(yè)的學(xué)生積極開展高溫超導(dǎo)實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新教學(xué)實(shí)踐是特別必要的，這樣不僅能進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)生理解超導(dǎo)材料的基本特性，了解其應(yīng)用情況、測(cè)量技術(shù)和原理，同時(shí)還能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)力并培養(yǎng)其從事科學(xué)研究的意識(shí)，對(duì)切實(shí)提高人才培養(yǎng)質(zhì)量具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。以下為參考文獻(xiàn)：［1］BednorzJG，MiillerKA.PossiblehighTcsuperconductiv-ityintheBa-La-Cu-Osystem［J］.ZPhysB，1986，64〔2〕:189-193.［2］WuMX，AshburnJR，TorngCJ，etal.Superconductivityat93KinaNewMixedPhaseY-Ba-Cu-OCompoundSys-tematAmbientPressure［J］.PhysRevLett，1987，58〔9〕:908-910.［3］趙忠賢，陳立泉，楊乾聲，等.Ba-Y-Cu氧化物液氮溫區(qū)的超導(dǎo)電性［J］.科學(xué)通報(bào)，1987〔6〕：412.［4］MeissnerW，OchenfeldR.EinneuerEffektbeiEintrittderSupraleitfa咬higkeit［J］.Naturwiss，1933，21〔44〕：787-788.［5］劉海霞，苗洪利，蓋磊.近代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的研