缅怀瑞士超导先驱卡尔·亚历克斯·米勒

卡尔·亚历山大（Alex）Müller（1927–2023）是一位瑞士物理学家和诺贝尔奖获得者。他被广泛认为是超导史上最重要的人物之一，他对高温超导体的发现对固态物理学及其他领域产生了深远的影响。

 

卡尔·亚历山大·穆勒的肖像。自然提供的图像

 

米勒于2023年1月9日去世，享年95岁，与格奥尔格·贝德诺兹一起因其在陶瓷材料超导方面的工作而成为诺贝尔奖获得者。

 

物理学的一个光明开端

米勒是一个好奇的孩子，他渴望体验科学，这让他想第一手发现事物，这种性格在他的成年生活中一直很强烈。尽管他最初对无线电更感兴趣，并想成为一名电气工程师，但他最终转向了物理学。

作为一名大学新生，米勒在瑞士上了有史以来第一堂研究核物理的课。米勒在沃尔夫冈·保利的教导（米勒在学生时代认识了保利）和他的一位老师坎齐格博士的启发下，从事了凝聚态理论的职业生涯。

1967年，米勒在苏黎世的瑞士联邦理工学院（ETH Zurich）获得物理学博士学位。获得博士学位后，米勒在瑞士Ruschlikon的IBM研究实验室工作，在那里他进行了固态物理学的研究。

 

Müller和Bednorz发现高温超导体

1987年，Müller和他的同事Johannes Georg Bednorz发现了一个突破性的发现，他们发现一种镧、钡、铜和氧的化合物（LaBaCuO）在35K的温度下表现出超导行为，远高于当时已知的任何其他超导体。这一时刻标志着Müller和Bednorz对高温超导体研究的开始，这是一个未经充分研究的领域，即使在现在也引起了强烈的理论兴趣。

 

Müller和Bednorz在苏黎世的IBM研究所合作。图片由《纽约时报》提供

 

Müller和Bednorz因发现高温（高温T_c)同年的超导性。他们的发现为将最高转变温度从11 K提高到35 K奠定了基础，并为一个全新的物理水平打开了大门，包括无摩擦配电和磁悬浮列车等应用。

 

米勒对佩罗夫斯克人的关注

米勒在磁共振、电子顺磁共振波谱和中子辐照石墨方面有着各种学术兴趣。然而，最重要的是，他被直观地吸引来研究钙钛矿的对称晶格，这是他与贝德诺兹共同的魅力。

钙钛矿是一类具有特定晶体结构的无机材料，称为钙钛矿结构。它们是以19世纪在俄罗斯乌拉尔山脉首次发现的钙钛矿矿物命名的。

陶瓷钙钛矿通常由金属阳离子和氧阴离子的混合物制成，它们以其稳定性和耐用性而闻名，适用于能量存储和转换、催化和电子领域。陶瓷钙钛矿由于其高导电性而在电子学中特别令人感兴趣，使其成为高温超导体、固态电池、燃料电池和储能设备中电极的候选材料。

就超导性而言，钙钛矿比金属合金具有更高的工作温度，这使得它们在某些应用中更具吸引力。然而，钙钛矿还表现出一系列其他特性，如各向异性，这可能会对其性能产生负面影响。

 

超导简史

为了理解米勒在超导性上的印记，绘制该领域的历史可能是有用的，这可以追溯到20世纪初，当时科学家首次发现某些材料在低温下可以表现出零电阻。

1911年，荷兰物理学家Heike Kamerlingh Onnes发现，当温度降至4 K（氦的液体温度）以下时，汞的电阻降至零。这标志着对超导性的首次观测，并为昂内斯赢得了1913年的诺贝尔物理学奖。

沃尔瑟·迈斯纳和罗伯特·奥赫森菲尔德在1933年又取得了突破，他们发现了强抗磁性的作用，这是超导体排斥磁场的一种特性。迈斯纳效应之所以意义重大，是因为它能够实现磁悬浮。

 

被动磁悬浮的演示。图片由Research Gate提供

 

1957年，John Bardeen、Leon Cooper和Robert Schrieffer提出了BCS超导理论（以他们的姓氏首字母命名），该理论解释了超导体中的电子如何形成库珀对并在没有阻力的情况下移动。1972年，三人组被授予诺贝尔物理学奖。

1973年至1985年间，科学家们做出了一系列重要发现，包括约瑟夫逊效应（电流在两个超导体之间流动的特性，即使被绝缘体分开），并研究了有机碳基超导体，这为产生“可预测”的超导分子打开了大门。

1986年，Karl Alex Müller和George Bednorz在IBM担任研究人员，他们发现了一种新的材料，称为铜酸盐，这种材料在相对较高的温度下表现出超导性，高于液氮的沸点。这标志着高温超导体（HTS）的发现。

研究人员继续探索超导材料的性质和行为，重点是改善超导背后的机制，并开发具有改进性质的新材料。其中包括冷却点77K的发现，即液氮的沸点，它是一种相对便宜且可获得的冷却剂。

 

高-T_c超导体

超导体是具有零电阻的材料，可以在不因热而损失任何能量的情况下导电。在计算机中，超导体被用于高性能计算、存储器存储设备和量子计算机。

高温超导体（HTS）是在相对较高的温度下表现出超导性的材料，通常高于液氮的沸点（-196°C或~147 K）。这种特性使它们在各种应用中具有实用性，包括电力传输和医疗成像设备。

高温超导背后的机制尚不完全清楚，但据信它涉及电子与材料中晶格振动的相互作用，导致了一种被称为库珀配对的现象。

 

库珀对的插图。图片由乔治亚州立大学提供

 

高温半导体（HTS）的行为具有以下几个关键特性：

• 零电阻：这种特性允许电流在没有能量损失的情况下流动。
• 完全抗磁性：高温超导半导体完全排除了内部的磁场。
• 临界温度(T_c)：这是在正常导体上方和超导体下方的点。
• 各向异性：它们的特性随测量方向的不同而不同。
• 复杂的电子结构：这种结构是它们的高温超导性的原因。

 

米勒的遗产与高温超导体的发展

与低温超导体相比，高温超导可以在更高的温度下工作，并提高稳定性。陶瓷HTS更能抵抗外部因素，如磁场和机械应力，并且不太可能随着时间的推移而降解。它们由廉价、广泛可用的材料制成，这使它们成为金属基超导体的一种具有成本效益的替代品。HTS还适用于电力传输、高场磁体、储能系统和粒子加速器等应用中的大规模生产。

米勒和贝德诺兹的发现产生了深远的影响。高温超导体为凝聚态物理学领域的研究开辟了新的途径，并有可能彻底改变从能源生产、核磁共振到运输和通信技术等广泛的行业。

米勒是美国物理学会的研究员、IBM的研究员和瑞士科学院的成员。他因在物理学领域的贡献而获得了许多其他奖项和荣誉，包括美国国家科学基金会颁发的国家科学奖章、第十三届弗里茨·伦敦纪念奖、丹尼·海涅曼奖、惠普欧洲物理学奖和美国物理学会国际新材料研究奖。