四年前，高温超导体首次发现以后，大量的高温超导材料相继问世。然而，其中仅有一种特殊类型的材料即薄膜超导体接近于现实应用。因为薄膜超导体较之块状超导体（比如金属导线）可以携载大得多的电流，该性能可导致薄膜超导体在快速通讯系统，电子元件，跟踪大脑活性传感器以及其他领域的应用。

为什么仅有薄膜材料才能携载高额电流呢？科学家认为其物理机制至今尚属“神秘莫测”。然而最近有两个科学研究小组的研究对解开这个谜产生了轰动效应。这两个小组利用扫描隧道显微镜（STM）和原子强制显微镜（AFM）作为观察原子分子图像的工具，他们通过对薄膜的观察不容置疑地发现了分布在薄膜表面的螺旋粒状的“森林”。科学家认为这些逗弄人的“螺旋林”（Spiral Forest）绝不是什么艺术制品，相反，它们可能是材料晶体结构的缺陷，是薄膜携载大电流的结构基础。这个发现可能有力地促进了高温超导薄膜由实验技术到商业技术的转变。这些发现是由美国的洛斯 · 阿拉莫斯国家实验室的莱斯特利斯克（I. Raistrick）和瑞士的IBM研究室的贝诺兹（J. G. Bednort）最近公布的。

这两个小组都使用钇钡铜氧超导薄膜（最广泛使用的一种材料）作研究，与以前许多研究者假设的由层到层生长的结构不同。洛斯 · 阿拉莫斯小组由所得到的SIM和AFM图像显示，高温超导薄膜实际上作为多个岛状物开始形成并同时生长，形成多粒状薄膜，由这些岛状物形成的每一圆形或正方形的颗粒的顶部是一个螺旋形的“台地”，各自弯曲上升，高度约为1.2 nm。瑞士的IBM研究小组也得出了相近的观察结果。

洛斯 · 阿拉莫斯小组的薄膜是在真空箱中使用称之为RF的磁控管溅射技术生成的。强辐射波使气体分子电离，冲击到由合适的原子比例所组成的压制圆盘上，释放出的原子聚集到附近加热的基片上形成薄膜，通过氧的“雕刻”使膜的原子组成为YBa₂Cu₃O₇的分子结构。IBM小组用稍微不同的溅射技术生长薄膜。膜的形成结果表明，细粒的形状和大小依赖于膜的制备方式，例如在氧化镁上形成薄膜颗粒呈矩形而且较小，在钛酸锶上形成的薄膜颗粒呈圆形而且较大。IBM小组所报告的薄膜生成仅在钛酸锶上，是由激光攻击高温超导材料圆片释放出的原子所制得的，膜的图像较之前一个小组RF磁控管溅射技术得到的“螺旋林”分布较少。

IBM小组的乔道利认为这些被称之为“美丽图画”的“螺旋林”可能对实现高温超导性起关键作用，特别有这种可能性，这些“螺旋林”可能是未被注意到的晶体缺陷。研究人员发现，完美结构的晶体对高温超导材料实现超导性起阻碍作用，特别是在磁场存在时。当磁场的磁力线穿过称之为Ⅱ型超导体（包括所有的高温超导材料）时，通过超导体的电流将使磁力线产生偏转，从而消耗能量，导致超导状态的消失。对于有缺陷的晶体，因为在某些位置“钉住”了磁力线，避免了以上现象发生。材料科学家已经知道了这些防御性缺陷的许多形式：点缺陷，如氧原子在晶格中缺少；堆积缺陷，如邻近两层间精密的一致性消失；较大等级缺陷，如晶粒之间的边界。缺陷名目虽多，但究竟那种缺陷产生了“钉住”现象，仍然是个谜。

存在的一个问题是，在所给定的高温超导体的面积上，研究人员发现缺陷的数目太少，以至于无法解释薄膜携载的高额电流。由新观察得出的缺陷密度可能正好填补这一缺口。

毕竟近年来不少材料科学家制出了高质量的高温超导薄膜，既然这种特殊缺陷对薄膜是如此关键，为什么以前从未发现呢？

研究者认为，理由之一是观察时薄膜放在潮湿环境中，致使很快地产生了一个非导性顶层，掩盖了膜表面的庐山真面目。若在高真空环境中观察薄膜将回避开这一问题。另一理由是，大多数研究者观察显微镜视野范围较之螺旋形结晶显像范围（达数千埃）要小。使得很多科学家视野集中在“螺旋林”中的单个相对平坦的“台地”，不能观察到视野范围较大的“螺旋林”。另外这些观察工具常有不良深度感觉，对于1.2 mn的台阶，使用STM和AFM看起来几乎是平坦的。

目前这两个小组正以更大的工作强度投入涌来的超导薄膜的洪流中去。

[Science，1991年5月29日]