今天材料科学和低温技术的进展使得可以进行极其靠近绝对零度的实验。到1980年,发现相变到超导状态的最低温度,对元素(钨)是Tσ=15mK心对合金(铱-铑)是Tσ=6mK。在更低的温度,没有发现进入超导状态的相变,因为在微开尔文范围的研究提出很高的实验要求。这些要求自然首先是达到和测量很低的温度,在此温度下进行实验测量,其次是屏蔽磁场对超导状态的破坏,再有是物质的纯度。例如在100μK时能够转变到超导状态的金属中,超导状态已经为0.001高斯的磁场所抑制了,即是说,我们必须屏蔽明显比0.001高斯更小的值的磁场。然而,更困难的问题还是金属的必要的纯度。由于超导和磁性是两个相反的有序状态,对于有很弱超导状态、仅在极低温度下才是超导的金属,我们必须使其不含有大量的磁性杂质。例如在100μK左右能够转变到超导状态这样一种金属,最多可以包含的磁性杂质原子的比例为10-7。这样极高程度的金属纯度,特别是如此微量的杂质浓度的测定,对冶金学提出了很高的要求。
又再使磁场增加,那么直到37mG的磁场下样品都保持在超导状态中;此后,它又成为正常导电的。然后,如果我们又减小磁场,那么直到大约的磁场下样品都保留在正常导电状态,而且此后,一直到37mG的磁场下样品又在超导状态。按照金的对样品纯度极端要求,在这个结果上指示了对磁场屏蔽的要求,虽然在160μK下铑有37mG的临界场,然而在外场中进入超导态的相变是这样一种相变,即它能被过度冷却,而且相变温度愈低,过冷愈烈。铑的转变温度低意味着在这里从37mG直到几乎1mG超导过冷能够出现。在这个测量上,如果我们没有把样品上的磁场屏蔽到明显低于的值,那么由于这个强的过冷效应,实验中的超导状态就决不会出现,即铑是保持正常导电的,虽然在37mG和160μK的温度,它固有地应该已经是超导的。根据这个发现,铑是具有远为最低转变温度的元素(下一个是钨,TC=15mK)。
所研究的铑样品含有大约20ppm的3d-金属铬、锰、铁、钴、镍。然而,这里铑的特征还有一半一直没有搞清楚:所列举的元素在掺入铑时失去了它们的磁矩,不再干扰地影响超导。但是为什么铑在开尔文范围内不已经转变到超导态,而仅在微开尔文范围才转变到超导状态呢?因此,为了解释在毫开尔文范围内铑和其它d-金属没有超导出现,安德里斯和詹森已在1968年作了一个建议:铂金属显示对磁的强烈倾向,例如钯是具有强烈倾向于铁磁有序的金属,但事实上并没有转变到铁磁状态。然而,对磁场强烈倾向意味着,物质中很小区域在磁有序状态短暂的起伏。出现了所谓的“自旋起伏”或“顺磁量子”。这个自旋起伏调节电子自旋平行,而对于超导来说,电子反平行自旋调节是必要的。由于这两者竞争的相互作用,铂金属仅在很低温度是超导的,或者毫不超导。
[Naturwissenschaften,1987年第4期]
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*夫兰克·波贝尔(FrankPobell)系[联邦德国]拜罗伊特大学物理研究所物理学家