游 彪，吳衛(wèi)國(guó)，吳小山

(南京大學(xué) 物理學(xué)院，江蘇 南京 210093)

作為第4屆大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽的試題，需要參賽選手在查閱文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，完成實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)，實(shí)施物理現(xiàn)象的觀察和測(cè)試，撰寫合格的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，這是對(duì)學(xué)生的閱讀能力、動(dòng)手能力、理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)合的能力的綜合考察[1]. 高溫超導(dǎo)體的特性測(cè)量是凝聚態(tài)物理的典型實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中，提供了必要的超導(dǎo)體物理特性理論知識(shí)，要求選手能夠運(yùn)用相關(guān)知識(shí)，找出快速判別超導(dǎo)體的方法，并且設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，測(cè)量超導(dǎo)體的臨界溫度. 該實(shí)驗(yàn)綜合考察了學(xué)生的理論知識(shí)運(yùn)用能力、實(shí)踐動(dòng)手能力和數(shù)據(jù)測(cè)量與分析處理能力.

1 背景介紹

1908年，Leiden大學(xué)的H. Kamerlingh Onnes成功液化氦氣，使溫度的測(cè)量范圍延伸到4.2 K以下，為研究金屬在極低溫下的電學(xué)性質(zhì)創(chuàng)造了條件. Onnes特別感興趣的問(wèn)題是金屬的低溫剩余電阻率以及與雜質(zhì)濃度之間的關(guān)系，他選擇了當(dāng)時(shí)可以獲得的最純的金屬材料汞作為研究對(duì)象. 當(dāng)溫度下降到4.15 K時(shí)，他驚奇地發(fā)現(xiàn)汞的直流電阻率不是趨近于由雜質(zhì)濃度決定的有限值，而是突然消失，金屬進(jìn)入了所謂的超導(dǎo)態(tài). 超導(dǎo)電性的發(fā)現(xiàn)不僅開辟了低溫物理這一新的領(lǐng)域，同時(shí)也使這一領(lǐng)域得到了迅猛的發(fā)展. 目前發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)材料包括：金屬和合金超導(dǎo)體、銅氧化合物超導(dǎo)體、重費(fèi)米子超導(dǎo)體、有機(jī)超導(dǎo)體、鐵基超導(dǎo)體以及其他氧化物超導(dǎo)體. 盡管超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)已有百余年的歷史，但對(duì)超導(dǎo)材料和超導(dǎo)物理的研究，仍然是凝聚態(tài)物理最活躍、最重要的領(lǐng)域之一. 超導(dǎo)體具有零電阻特性和完全抗磁性2個(gè)既相互獨(dú)立又緊密聯(lián)系的基本特性，在信息通信、強(qiáng)穩(wěn)恒磁場(chǎng)、工業(yè)加工、無(wú)損耗輸電、生物醫(yī)學(xué)、磁懸浮運(yùn)輸和航空航天等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景[2-3].

2 高溫超導(dǎo)體特性測(cè)量綜合實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1)根據(jù)超導(dǎo)體的基本特性，如何快速判斷樣品是否處于超導(dǎo)態(tài)；

2)搭建實(shí)驗(yàn)裝置，測(cè)超導(dǎo)體的臨界溫度Tc.

2.2 實(shí)驗(yàn)任務(wù)

1)在給定的3種帶狀樣品中，找出具有高溫超導(dǎo)性質(zhì)的樣品，并說(shuō)明判定依據(jù);

2)用電阻測(cè)量法，在坐標(biāo)紙上繪制該樣品的R-T曲線，標(biāo)定該樣品的超導(dǎo)臨界溫度.

3)實(shí)驗(yàn)拓展

a.根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，猜測(cè)樣品是哪種高溫超導(dǎo)材料？

b.畫出理想超導(dǎo)體的磁感應(yīng)強(qiáng)度B以及磁化強(qiáng)度M與磁場(chǎng)強(qiáng)度H的B-H和M-H曲線示意圖.

c.超導(dǎo)體中還有一個(gè)重要的參量——臨界電流密度Jc，當(dāng)超導(dǎo)體中的電流密度大于Jc時(shí)，將會(huì)由超導(dǎo)態(tài)將轉(zhuǎn)變?yōu)檎＝饘賾B(tài). 請(qǐng)問(wèn)Jc的物理機(jī)制是什么？對(duì)于無(wú)限長(zhǎng)圓柱形理想超導(dǎo)體，假設(shè)電流沿軸向均勻分布，Jc是多少？如果電流只是沿軸向均勻分布于深度為l的超導(dǎo)體表面，Jc又是多少？

2.3 實(shí)驗(yàn)器材說(shuō)明

實(shí)驗(yàn)提供的器材包括:低溫溫度測(cè)量控制儀、穩(wěn)流電源、直流數(shù)字式電壓表、低溫恒溫器、十芯測(cè)試電纜線、保溫壺、保溫杯、保溫泡棉套、液氮、實(shí)驗(yàn)架，以及各種常用實(shí)驗(yàn)工具及材料(烙鐵、含松香焊錫、螺絲刀、膠帶、小磁鐵、已上錫焊線、鑷子等).

實(shí)驗(yàn)用的恒溫器如圖1所示，均溫塊是經(jīng)過(guò)加工的黃銅塊，利用其良好的導(dǎo)熱性能來(lái)取得較好的溫度均勻區(qū)，使固定在均溫塊上的樣品和溫度計(jì)的溫度趨于一致. 恒溫器集成了經(jīng)過(guò)定標(biāo)的鉑電阻溫度計(jì)及加熱器[4]. 安裝樣品時(shí)，卸下恒溫器的金屬套，將待測(cè)樣品纏繞在銅座上，纏繞時(shí)要確保樣品與銅座保持良好的熱接觸和電絕緣. 用焊線將樣品與圖中測(cè)量線路板的4個(gè)焊點(diǎn)相連，構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)的電阻測(cè)量裝置，再將金屬套裝回.

圖1 低溫恒溫器

十芯測(cè)試電纜線由6根藍(lán)導(dǎo)線、1根紅導(dǎo)線、1根黑導(dǎo)線、1根黃導(dǎo)線、1根白導(dǎo)線及2個(gè)航空接頭組成. 測(cè)量時(shí)電纜線的一端通過(guò)航空接頭與低溫恒溫器相連，另一端由航空接頭與低溫溫度測(cè)量控制儀相連；紅、黑線接穩(wěn)流電源，黃、白線接直流數(shù)字式電壓表.

2.4 附件

1)超導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)介紹；

2)焊接技術(shù)介紹.

3 考試結(jié)果

從實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)場(chǎng)來(lái)看，雖然實(shí)驗(yàn)的基本原理并不復(fù)雜，測(cè)量方法也較常規(guī)，但是能夠在規(guī)定的4 h內(nèi)順利完成實(shí)驗(yàn)的小組寥寥無(wú)幾.

實(shí)驗(yàn)提供了3個(gè)帶狀材料：Ag，Ni，Ag基的BiSrCaCuO. 不少小組一開始就直接焊接，并進(jìn)行變溫測(cè)量，意圖通過(guò)R-T關(guān)系直接找出超導(dǎo)樣品. 這樣的想法雖然也是對(duì)的，但是在短短的4 h考試時(shí)間內(nèi)，無(wú)法完成3個(gè)樣品的變溫測(cè)試. 所以此方案不可行. 正確可行的方法是將3個(gè)樣品放入液氮中，用小磁鐵靠近它們，通過(guò)邁斯納效應(yīng)找出超導(dǎo)樣品. Ag是抗磁性金屬，在磁場(chǎng)下幾乎沒(méi)有任何反應(yīng)；Ni是鐵磁性材料，會(huì)被小磁鐵緊緊吸引；BiSrCaCuO是超導(dǎo)態(tài)，當(dāng)小磁鐵靠近時(shí)，由邁斯納效應(yīng)，磁場(chǎng)無(wú)法進(jìn)入BiSrCaCuO樣品中，樣品會(huì)表現(xiàn)出排斥的現(xiàn)象. 為了不影響后面的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，組委會(huì)準(zhǔn)備了2張?zhí)崾究?，如果參賽選手無(wú)法獨(dú)立完成，可以使用提示卡. 提示卡一告訴選手利用何種方法來(lái)找出超導(dǎo)樣品，提示卡二直接告訴選手哪個(gè)樣品是超導(dǎo)樣品. 使用提示卡將按規(guī)定扣除總分. 在現(xiàn)場(chǎng)有5組選手要求提供提示卡一，1組選手要求提供提示卡二. 有7組選手運(yùn)用完全抗磁性挑選超導(dǎo)樣品，其中有4組結(jié)果正確.

實(shí)驗(yàn)第1部分占20分，平均得分10.8分.

實(shí)驗(yàn)的第2部分是正確測(cè)量超導(dǎo)樣品的臨界溫度：

1)能夠正確地將超導(dǎo)樣品焊接到恒溫器上，并且確保樣品與銅座保持良好的熱接觸和電絕緣，進(jìn)行下一步的變溫R-T測(cè)量，得20分.

3)測(cè)量時(shí)，應(yīng)該初掃，了解大致的臨界溫度，再控溫細(xì)測(cè). 測(cè)量點(diǎn)布局需合理，以便獲得準(zhǔn)確的臨界溫度. 圖2是典型的測(cè)試結(jié)果，為了測(cè)量的準(zhǔn)確性，在超導(dǎo)態(tài)和正常態(tài)的轉(zhuǎn)變區(qū)域，至少要有3個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn). 此部分為25分.

圖2 超導(dǎo)樣品的實(shí)際R-T測(cè)量曲線

4)測(cè)量完畢，整理桌面，儀器歸位，樣品復(fù)原. 占5分.

實(shí)驗(yàn)第2部分占60分，平均得分為23.2分.

實(shí)驗(yàn)拓展部分有3個(gè)思考題：

1)根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，猜測(cè)提供的樣品是哪種高溫超導(dǎo)材料. 該部分占5分. 如果選手能夠準(zhǔn)確測(cè)出Tc在115 K左右，再根據(jù)提供的超導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)介紹，對(duì)比各種超導(dǎo)材料的臨界溫度，可以猜測(cè)樣品為BiSrCaCuO樣品.

2)畫出理想超導(dǎo)體的磁感應(yīng)強(qiáng)度B及磁化強(qiáng)度M與磁場(chǎng)強(qiáng)度H的B-H和M-H曲線示意圖. 該部分占5分. 選手在理解關(guān)于超導(dǎo)體的完全抗磁性的特性介紹的基礎(chǔ)上，給出示意圖如圖3～4所示.

圖3 理想超導(dǎo)體的B-H曲線示意圖

圖4 理想超導(dǎo)體的M-H曲線示意圖

3)給出超導(dǎo)體臨界電流的物理機(jī)制并根據(jù)2個(gè)簡(jiǎn)單的模型估算臨界電流與臨界磁場(chǎng)的關(guān)系. 該部分占10分.

實(shí)驗(yàn)拓展部分占20分，平均得分3.8分.

4 評(píng) 論

高溫超導(dǎo)體的臨界溫度測(cè)量在部分院校已列入物理專業(yè)本科生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)計(jì)劃中. 為了幫助選手了解超導(dǎo)體，編寫了近3頁(yè)的超導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)，介紹了超導(dǎo)體發(fā)展歷史和基本特性，因此從該試題的實(shí)驗(yàn)原理來(lái)看，實(shí)驗(yàn)難度并不大. 但是26組參賽選手的實(shí)驗(yàn)完成度普遍偏低，90分以上、80～89分、70～79分、60～69分各分?jǐn)?shù)段的選手各有1組，其他組的成績(jī)都低于60分. 最高分為91分，最低分為5分，平均分37分.

目前本科生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)裝置和測(cè)試樣品都準(zhǔn)備好，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)學(xué)生的動(dòng)手能力訓(xùn)練偏少. 由于課時(shí)短、學(xué)生多等的關(guān)系，教師不得不將實(shí)驗(yàn)過(guò)程講解得十分仔細(xì)，導(dǎo)致學(xué)生不假思索地按照實(shí)驗(yàn)步驟完成實(shí)驗(yàn)，自己沒(méi)有積極主動(dòng)地思考，由此導(dǎo)致雖然完成了實(shí)驗(yàn)，卻對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不是十分理解，學(xué)生的創(chuàng)新型思維沒(méi)有得到啟發(fā). 在實(shí)驗(yàn)儀器選配上，也往往提供“傻瓜型”的一體機(jī)，學(xué)生很少能夠自己搭建裝置. 這樣造成了學(xué)生的動(dòng)手能力普遍較弱，也無(wú)法針對(duì)實(shí)驗(yàn)中的一些測(cè)量問(wèn)題給出解決方法[5].

在恒溫器焊接環(huán)節(jié)，得分率只有22%，不少參賽選手還是第1次使用電烙鐵，所以能獨(dú)立完成并正確地將超導(dǎo)樣品焊接到恒溫器上，確保樣品與銅座保持良好的熱接觸和電絕緣的小組很少，超過(guò)一半的小組得分為0分. 在變溫測(cè)量中，只有2組選手注意到了熱電勢(shì)的存在，并且給出了解決方案. 在恒溫器控溫測(cè)量中，現(xiàn)場(chǎng)絕大多數(shù)選手沒(méi)有使用加熱電流，使恒溫器處于相對(duì)的熱平衡狀態(tài)，所以無(wú)法得到較好的R-T曲線，因而得到的臨界溫度存在很大的誤差，甚至有部分小組最終的臨界溫度接近室溫. 只有4組選手得到了比較準(zhǔn)確的Tc.

在實(shí)驗(yàn)拓展環(huán)節(jié)，以實(shí)驗(yàn)思考題的形式，通過(guò)閱讀提供的超導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)介紹，運(yùn)用簡(jiǎn)單的模型，回答3個(gè)問(wèn)題，這部分得分率也低于20%.

共有26組選手抽中了本題. 根據(jù)每道題分別評(píng)獎(jiǎng)的原則，本題有3組選手獲得一等獎(jiǎng)，6組選手獲得二等獎(jiǎng)，8組選手獲得三等獎(jiǎng). 十分意外并且可喜的是，26組參賽隊(duì)伍中，唯一獲得優(yōu)秀的選手，并非來(lái)自具有優(yōu)勢(shì)物理學(xué)科的高校，也非“985”高校，這客觀地反映了部分高校近年來(lái)在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的課程體系和教學(xué)方法的改革中，投入了大量的人力、物力，取得令人矚目的成績(jī)，因此學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和研究能力有長(zhǎng)足的進(jìn)步.