超导(导体在某温度下电阻为零的状态)

超导是在某些材料中观察到的一种物理性质，材料内部电阻消失，磁通量场从材料中排出。任何表现出这些特性的材料都是超导体。与普通金属导体不同，其电阻随着温度的降低而逐渐降低，甚至降至接近绝对零度，超导体具有特征临界温度，低于该温度时电阻突然降至零。通过超导线环的电流可以在没有电源的情况下无限期地持续存在。

超导现象是由荷兰物理学家Heike Kamerlingh Onnes于1911年发现的。超导是一种只能用量子力学来解释的现象，它的特点是迈斯纳效应，即在超导体过渡到超导状态期间，磁力线从超导体内部完全喷射。迈斯纳效应表明，超导性不能简单地理解为经典物理学中完美导电性。

1986年，人们发现一些铜酸盐钙钛矿陶瓷材料的临界温度高于90K（-183°C）。对于传统的超导体来说，如此高的转变温度在理论上是不可能的，因此这些材料被称为高温超导体。2023年Dasenbrock-Gammon N等他们称团队在1GPa压强下，使用-氮-氢体系材料实现了21摄氏度的室温超导。

基本性质

超导体的物理性质因使用材料而异，例如临界温度、超导间隙的值、临界磁场以及破坏超导性的临界电流密度。另一方面，有一类属性独立于底层材料，即迈斯纳效应，磁通量或永久电流的量化，这些参数是零电阻状态是重要参数。超导性是一种热力学相，因此具有某些区别性质，这些特性在很大程度上与微观细节无关。

零电直流电阻

超导体能够在两端电压为零的情况下保持电流，这种特性在超导电磁铁（例如MRI机器中的电磁铁）中得到了利用。实验表明，超导电感线圈中的电流可以持续多年而不会发生任何可测量的退化。实验证据表明，该超导电磁铁目前的寿命至少为10万年。对持续电流寿命的理论估计可能超过宇宙的估计寿命，具体取决于导线几何形状和温度。

在正常导体中，电流可以可视化为穿过重离子晶格的电子流体。电子不断与晶格中的离子碰撞，在每次碰撞过程中，电流携带的一些能量被晶格吸收并转化为热量，这本质上是晶格离子的振动动能，从而使电流携带的能量不断耗散，这就是电阻和焦耳热的现象。而超导体的情况有所不同。在传统的超导体中，电子流体不能分解成单个电子。相反，它由称为库珀对的束缚电子对组成。这种配对是由声子交换产生的电子之间的吸引力引起的。这种配对之间的作用力非常弱，小的热振动就会使键遭到破坏。根据量子力学进行解释，这种库珀对流体的能谱具有能隙，这意味着必须提供最少能量ΔE才能激发流体。因此，如果ΔE大于晶格的热能，流体就不会被晶格散射。因此，库珀对流体是一种超流体，这意味着它可以在没有能量耗散的情况下进行作用。

在一类称为II型超导体的超导体中，包括所有已知的高温超导体，当电流与强磁场一起施加时，在略高于标称超导跃迁的温度下会出现极低但非零电阻率。这是由于电子超流体中磁涡旋的运动，它耗散了电流携带的一些能量。如果电流足够小，涡流是静止的，电阻率就会消失。然而，当温度远低于标称超导跃迁的水平时，这些涡旋可以冻结成无序但静止的相，称为“涡旋玻璃”。

相变

在超导材料中，当温度降低到临界温度以下时，就会出现超导特性。该临界温度的值因材料而异。传统的超导体通常具有大约20 K到小于1 K的临界温度范围。截至2015年，传统超导体的最高临界温度为H2S的203 K，尽管需要大约90GPa的高压。导致高临界温度的基本物理机制尚不清楚，但显然与双电子配对相关。

同样，在低于临界温度的固定温度下，当施加大于临界磁场的外部磁场时，超导材料将停止超导。这是因为超导相的约西亚·吉布斯自由能随磁场二次增加，而正常相的自由能大致独立于磁场。如果材料在没有场的情况下超导，则超导相自由能低于正常相的自由能，因此对于磁场的某个有限值（与零磁场下自由能之差的平方根成正比），两个自由能将相等，并且将发生到正常相的相变。更高的温度和更强的磁场将导致超导电子的比例较小，因此外部磁场和电流的伦敦穿透深度更长。在相变时，穿透深度变得无限大。

迈斯纳效应

当超导体被放置在弱的外部磁场H中，并冷却到其临界温度以下时，磁场会被喷射出来。迈斯纳效应不会导致磁场完全喷射，但会导致磁场微量穿透超导体，其穿透距离决定于参数λ，称为伦敦穿透深度，在材料体积内呈指数衰减。迈斯纳效应是超导性的一个决定性特征。对于大多数超导体，伦敦穿透深度约为100纳米。

迈斯纳效应有时会与超导体中的抗磁性相混淆：根据伦茨定律，当一个不断变化的磁场施加到导体上时，它会在导体中产生一个电流，从而产生一个相反的磁场。在理想导体中，可以感应出任意大的电流，由此产生的磁场正好抵消了所施加的磁场。

研究历史

1911年4月8日，Heike Kamerlingh Onnes发现了超导性，他使用最近生产的液态氦作为制冷剂，研究固态汞在低温下的电阻。在4.2K的温度下，他观察到电阻突然消失。在同一实验中，他还观察到了氦在2.2 K下的超流体转变，但没有认识到其重要性。一个世纪后，当Onnes的笔记本被发现时，才重新确定了发现的确切日期和环境。在随后的几十年中，在其他几种材料中观察到了超导性。1913年，人们发现铅在7K时具有超导特性，1941年发现氮化铌在16K时具有超导特性。

人们付出了巨大的努力来探索超导的工作原理。1933年，Meissner和Ochsenfeld发现超导体驱逐了外加磁场，这一现象被称为迈斯纳效应。1935年，Fritz和Heinz London证明迈斯纳效应是超导电流携带的电磁自由能最小化的结果。

直到1986年，物理学家一直认为不存在温度高于30K时的超导性。在那一年，Bednorz和Müller发现了铜氧化物（LBCO）中的超导性，这是一种镧基铜酸盐钙钛矿材料，其转变温度为35 K（1987年诺贝尔物理学奖）。很快发现，用代替镧（即制造YBCO）将临界温度提高到90 K以上。之后，学者们不断对高温超导进行研究。2020年，《自然》杂志中一篇论文中Dasenbrock-Gammon N团队发现了一种室温超导体（临界温度288 K），该超导体由氢、碳和硫在270千兆帕斯卡左右的压力下制成。然而，2022年，该文章被编辑撤回，因为背景减除程序的有效性受到质疑。所有九位作者都认为，原始数据有力地支持了论文的主要观点。2023年，同样是Dasenbrock-Gammon N团队，宣称在1GPa压强下，使用镥-氮-氢体系材料实现了21摄氏度的室温超导。

应用

发展前景

超导行业被认为是21世纪最具战略意义的高新技术之一。超导产业潜在市场达上千亿。随着第二代超导带材研究技术的进一步成熟，其性能价格比也将大幅下降，开展各种大规模超导应用将变为可能，市场需求和产值也将会出现井喷的局面。室温超导作为物理学家们追求的终极目标，从可控核聚变到量子计算机，室温超导将极大地促进科技进步，并迎来超导产业的爆发。

正如半导体带来了资讯时代、光纤带来了传讯时代，高温超导材料将从根本上改变人类的用电方式，给电力、能源、交通以及其它与电磁有关的科技业带来革命性的发展。