超导体中的持续电流

门德尔松，巴比特

编者按

20世纪30年代早期，物理学家们正在费尽心力地研究超导电性的产生机制。这篇文章中，库尔特·门德尔松和巴比特探讨了近期瓦尔特·迈斯纳和罗伯特·奥克森费尔德的惊人发现——超导体会将磁通量排除在外。在此之前人们猜想超导体中持续的电流应该能够“捕获”磁通量，并且即使外磁场被撤除，超导体中的磁通量也能够保持，但该发现否定了这一猜想。然而这篇文章中报道的实验显示磁通量的排除并不完全：超导态锡的内部仍保留有一定的磁化强度。这首次证明了持续的“超导电流”的存在，尽管它的大小只有之前预测值的1/6。ft　　英文

直至不久前，人们仍然普遍认为，根据一般的电磁方程就可以预测：在恒定外磁场中将超导体冷却至转变温度之下，关闭磁场时会产生持续的电流。据此，洛伦兹[1]计算出了超导球体中的感生电流，即在外磁场建立后的有效磁偶极。ft　　英文

按照迈斯纳和奥克森费尔德[2]最近公开发表的结果，事情并非如初看时那么简单。磁场中的超导体被冷却到转变点之下时，并不像我们以前假定的那样会将磁力线“冻结”，实验表明，超导体附近的磁场会增强，超导体表现得像一个完全的抗磁体。如果事实确实如此，那么超导体中的感应磁通量应为零，而且我们也可以推断出与旧观点相反的结论：关闭外磁场并不会在超导体中产生持续的电流或有效的感生偶极。ft　　英文

下列实验似乎表明，超导体虽然并不符合旧的理论，但也没有表现出磁导率为零的性质。ft　　英文

（1）在70高斯的磁场中，将一个半径为1.5厘米的固体锡球的温度从4.2 K冷却到2.5 K（液氦是在一个液化装置中利用西蒙膨胀法产生的）。当关闭磁场时，我们用实验线圈测量固体球的磁矩。测量得出的磁矩大小约为根据洛伦兹方程计算所得值的1/6。ft　　英文

当球的温度从2.5 K上升到2.9 K时，磁矩几乎保持恒定；而在温度进一步上升时，磁矩稳步减少，且在3.7 K时变为零，这个临界温度就是锡的正常转变点。对磁矩随温度变化的作图，我们得到一条与临界磁场随温度变化的曲线形状类似的曲线。ft　　英文

（2）同样的球体在无任何外磁场的情况下冷却到2.5 K，打开并立即关闭230高斯的磁场（高于在此温度下的临界磁场）。结果在温度为2.5 K时产生的磁矩比上一实验中使用70高斯时产生的磁矩大8%，而当温度上升时磁矩不断下降，在温度上升到2.9 K时，磁矩与在以前实验中温度为2.9 K时的磁矩值相同。在温度为2.9 K～4 K的范围内，得到的曲线与实验（1）中这个温度段的曲线重合。ft　　英文

（3）与上述实验类似，只是改用半径相同的空心锡球进行研究，中心的球型空心是整个球体积的一半。空心球产生的磁矩是实心球的2～3倍。ft　　英文

在所有这些实验中，磁场是由缠绕成圆筒状的线圈产生的，圆球置于线圈的中部，实验中没有使用任何铁质材料。尽管这样可以使圆球附近的磁场相当均匀，但我们还是认为，观测到的现象可能会受到外场细微的非均匀性的影响。而即便在一个完全均匀的磁场中，冷却方法也可能会影响到最终的结果。为了验证这一点，我们分别从圆球的两极和赤道位置对其进行冷却。然而这个做法并没有导致任何差异的产生，两种情况下观测到的磁矩的数量级是相同的。ft　　英文

根据这些实验的结果，我们似乎肯定，亦如迈斯纳和奥克森费尔德所观测的，当物质成为超导体时，它们的有效磁导率会减小。另一方面，很显然在我们当前的实验条件下，磁导率并不会如电导率趋于一个无限值状况所预期的那样完全消失，或者即便磁导率完全消失，那也仅是发生在部分区域内，而不会贯穿整个超导体。ft　　英文

最后，我们要感谢基利先生，他在我们工作的各个阶段都给予了建议和大量帮助。ft　　英文

（沈乃澂　翻译；郑东宁　审稿）