室温超导体(可以在高于0°C的温度有超导现象的材料)

室温超导体（room-温度超导体）又称常温超导体，是指可以在高于0 °C (273 K; 32 °F)的温度有超导现象的材料。超导现象最初是在接近绝对零度的极低温度下观察到的，大多数超导体也仅在接近绝对零度的温度下工作，相较于其他的超导体，室温超导体的条件是日常较容易达到的条件。

已确认的在常压下的超导转变温度Tc（指超导体由正常态进入超导态的温度）记录，是1993年发现的Hg-Ba-Ca-铜O体系，在134 K（−139 °C）的温度下表现出超导性；在高压下，Tc可提升到165 K（-108°C）。后续尝试把其他元素周期表的单质加高压，普遍发现Tc可提升。

2020年10月14日，自然出版了一篇名为“Room-温度 superconductivity in a carbonaceous 硫氢化物”的论文，该论文宣称其制造的碳硫氢体系在267 GPa，288K（15°C）下首次实现了室温超导。2022年9月26日，在所有论文作者都不同意撤稿的情况下，Nature编辑部撤掉了这篇论文。

2023年7月23日，来自韩国科学技术研究院（KIST）的量子能源研究中心的韩国团队在arXiv预印本服务器上发布了一篇名为“The First Room-Temperature Ambient-Pressure Superconductor”的论文；8月2日，该团队的成员表示，论文存在缺陷，系该团队中的一名成员擅自发布，目前团队已要求下架论文。

2023年8月3日，韩国超导低温学会经过科学研判后得出结论认定“LK-99”不是超导体，因为实验材料没有表现出“迈斯纳现象”。截至2023年8月3日，国际上已有许多团队进行复现，相关复现都没有观察到其具有超导性，LK-99的合成及其在室温下的超导性观察仍有待后续复现和同行评审。8月8日，来自北京大学量子材料科学中心的研究团队在预印本网站arXiv提交的论文显示，其团队合成的LK-99样品没有表现出超导性。

2023年8月9日，前述论文的通讯作者之一、中国科学院物理研究所研究员、博士生导师建林告诉澎湃科技，“我们的工作指出了把LK-99错认成超导体的原因。”“实验结果表明（LK-99能常压室温超导）是假象，来源于硫化亚铜。”“LK-99不超导! 虽然相关样品具有弱抗磁性，但不具有完全抗磁性，也没有零电阻现象。”

随着时间的推移，研究人员一直在提升超导Tc，挑战在室温下实现超导性不可行的观念。室温超导技术的成功实现将为科技发展带来巨大的应用前景。从可控核聚变到超导输电，再到量子计算机和磁浮列车等领域，都将从中获益。

发展历程

自从发现高温超导体，有几种材料被报道是室温超导体，这些报道大多数未得到证实。

早在1911年，荷兰物理学家海克·昂内斯（Heike Kamerlingh Onnes）就已经发现，当温度降低至4.2K（约-268.95℃）时，浸泡在液氨里的金属汞的电阻会消失。第二年，锡和铅也被发现能变成超导体，转变温度分别为3.8K和7.2K，随后其他金属，通常是铌锡等合金，也被发现具有超导电性；这些材料被称为低温超导体或传统超导体，因为它们只能在极低温度下工作。

1933年瓦尔特·迈斯纳与罗伯特·奥克森菲尔德发现超导体内部磁感应强度为零，即具有完全抗磁性，这成为判断超导体的另一个重要特征指标。这一现象被称为“迈斯纳效应”（Meissner effect）。后来的研究发现，超导体可以进一步划分为第一类超导体和第二类超导体，第一类超导体展现出完全的抗磁效应，内部完全没有磁场。而第二类超导体则允许磁场在超导体内部产生磁通量子，也就是允许磁场部分地进入超导体。

直到1957年，才有了第一个真正能初步成功描述超导现象的理论——BCS理论。该理论由美国科学家约翰·巴丁（John Bardeen）、里昂·库珀（Leon Cooper）和约翰·施里佛（John Schrieffer）基于“波粒二象性”建立。他们认为，金属外层自由电子在有电压时，会流经晶格点阵形成电流，但通常情况下，这种晶格点阵有缺陷，会因热振动使电流产生阻碍。而在超导体中，电子会被束缚形成“库珀对”（Cooper pair），从而产生集体凝聚的波，这种波不同于自由电子，可以无阻碍地穿越晶格点阵。其中揭示了低温超导的原理：金属中的电子可以两两配对，利用量子特性绕开晶格中的正电荷，实现无损耗移动。但这种配对在较高温度下会被破坏，这就是超导只有在低温下才能实现的原因。

1968年，尼尔·阿什克罗夫特（Neil Aschcroft）找到了让“库珀对”在温度很高的情况下也能稳定存在的方法——氢原子。氢原子体积很小，能使得电子在晶格点阵中距离得更近，而轻质量的氢原子也能使凝聚波传播更快，使“库珀对”更紧密。但是只单纯用氢，需要1000万个大气压才能实现超导体目标，如果添加另一种元素，让氢嵌入其中，就能使条件变得不这么苛刻。这也促成了之后人们对氢化合物的大量测试，包括CaH6、H2S、H3S已经被相继发现能在高温条件（＞40K）下实现超导性。

金属和合金以及简单金属化合物的超导临界温度都很低，到1986 年为止，人们发现Tc最高的化合物是Nb3Ge(Tc=23.2 K)。当时一些理论甚至明确指出，基于电声子相互作用机制的超导临界温度可能存在一个极限，即超导临界温度的最高值Tcmax = 40 K。然而，人们从未放弃寻找更高Tc 超导材料。

1986年9月瑞士伯诺兹（J. Bednorz）和缪勒（K. Müller）在La-Ba-铜O体系中首次发现了可能存在超导电性，其Tc 高达35 K。1987 年2 月，美国休斯顿大学的朱经武、吴茂昆研究组和中国科学院物理研究所的赵忠贤研究团队分别独立发现在YBa2Cu3O6+体系存在90 K 以上的Tc，超导研究首次成功突破了液氮温区(液氮的沸点为77 K)，使得超导的大规模研究和应用成为可能。1988 年盛正直等人在Team LiquidBa-Ca-Cu-O体系中发现Tc=125 K；1993 年席林（Schilling）等在Hg-Ba-Ca-铜O 体系中再次刷新Tc 记录至135K；1993年，朱经武研究组在高压条件下把Hg2Ba2Ca2Cu3O10 体系的Tc 提高到了165 K.。

2003年，一组研究人员发表了关于钯氢化物（PdHx：x\u003e1）中高温超导性的结果，并在2004年进行了解释。

2006年，日本的细野秀雄（H. Hosono）研究小组在探索新型透明导电材料时，偶然发现LaFePO存在4 K左右的超导电性，随后他们于2008年一月又发现LaFeAsO1-xFx中存在26 K的超导电性。之后在国际上引发了高温超导研究的第二波热潮。在短短的数月之内，中国科学家通过合成其他稀土铁砷化物将Tc成功提高到了56 K。经过日、中、美、德等国科学家的共同努力，许多具有新结构体系的铁化物和铁硒化物超导体被陆续发现。典型母体如LaFeAsO、BaFe2As2、LiFeAs、FeSe等，这些材料几乎在所有的原子位置都可以进行不同的掺杂而获得超导电性。这个新的超导家族被称为铁基超导体，因其同样具有40 K以上的超导电性，且超导机理不同于传统的超导体，所以它是继铜氧化物高温超导体发现之后的第二类高温超导体。

2012年，一篇《先进材料》（Advanced Materials）的文章声称，在纯净水处理后，石墨粉末表现出高达300 K及以上的超导行为；然而，作者尚未能够证明发生明确的迈斯纳相（Meissner phase）和材料电阻的消失。

2014年，发表在《自然》杂志上的一篇文章表明，钇钡铜氧（YBa2Cu3O6+ x）有可能通过红外激光脉冲使其在室温（300K）下超导。

2014年底德国马普化学研究所的 A. P. Drozdov 和 M. I. Eremets 就宣布在硫氢化物中发现190 K 超导零电阻现象，对应压力为150 GPa。在历经8个多月的不断质疑、调查、重复实验、积累数据之后，论文终于在2015年8月17日发表于Nature，此时他们已经获得了220 GPa下203 K（−70 °C）的Tc历史新纪录，并且提供了抗磁信号的测量结果。

此后，高压氢化物的超导研究变热，人们陆续在Th、Pr、Nd、Y、La、Ce、Ba、Sn、Ca等元素与氢的化合物中找到了超导电性，Tc从几K到上百K。其中中国科学家发现CaH6在160~180 GPa下达到了Tc=210 K ，美国/德国科学家发现LaH10在188 GPa下达到了Tc=260 K 。

2019年，美国科学家马杜里·索马亚祖鲁（Maddury Somayazulu）的研究组宣布，十氢化镧（LaH10）在190万个大气压下，可以在逼近室温的260K（-13°C）以上出现超导性，这是曾经超导临界温度的最高纪录。

2020年，迪亚斯博士（Ranga Dias）和他的团队声称发现了一种具有最高超导温度的高压碳硫氢体系，在267 GPa下具有288K（15°C）的Tc。然而，2022年9月22日，相关原始文章被《自然》杂志的编辑部撤回，原因是采用了非标准的用户定义数据分析，对该主张的科学有效性产生了质疑。

2021年3月，一份公告报道了在262K（-11°C）和187 GPa压力下，层状-钯-氢材料出现室温超导性。

2023年迪亚斯在《自然》杂志上再次发表了有关室温超导体的论文，指出一种由镥-氮-氢（Lu-N-H）构成的材料能在1GPa的压力，294K（21℃）的温度下实现超导。Dias团队的研究发表后遭到多方质疑。加利福尼亚大学-圣地亚哥分校理论物理学家乔治·赫希（Jorge E.Hirsch）教授曾指出，Dias本人并没有在拉斯维加斯的美国物理学会会议上对他们团队的研究进行复现。而在迪亚斯的研究公布后，南京大学闻海虎团队安排重复实验，但团队发现，Dias给的制备样品方案几乎不可行，于是他们结合自己的条件，完全以新的方式进行合成并得到了氮氢材料；结果表明，从环境压力到6.3GPa，温度低至10K（-263℃），镥氮氢材料LuH2±xNy中不存在超导性。后来，另一个团队使用原始样品而不是新制备的样品进行了尝试，似乎证实了Lu-N-H系统中超导性的现实。但2021年迪亚斯发表在国际学术期刊《物理评论快报》上的论文再次因数据操纵而被撤回，受到怀疑。

2023年7月22日，有韩国的物理学家团队在预印本网站arXiv上传了两篇论文，宣称他们发现了世界首个室温常压下的超导体LK-99，改性铅磷灰石晶体结构，该材料在常压下127℃就可以达到超导临界点。该团队在论文中表示，所有证据都可以证明，LK-99是世界首个室温常压超导体。8月2日，该团队的成员表示，论文存在缺陷，系该团队中的一名成员擅自发布，目前团队已要求下架论文。同日，韩国超导学会宣布成立“LK-99 验证委员会”，表示在国内外争议较大的情况下，该委员会将负责验证成果的真实性。8月3日，韩国超导低温学会经过科学研判后得出结论认定“LK-99”不是超导体，因为实验材料没有表现出“迈斯纳现象”。8月4日，韩国团队第二篇论文三作放出了第二个LK-99半悬浮视频，华中科技大学团队也在arXiv上发表论文，作者成功合成LK-99，在室温大气压下观察到了迈斯纳磁悬浮现象，并排除了铁磁性影响，这表明了LK-99存在潜在的超导机理。8月8日，北京大学量子材料科学中心（ICQM）和中国科学院大学等单位发布的一篇论文表明：合成出来的与韩国团队论文主成分一致的LK-99材料，不具备超导性；同日，印度国家实验室也发表论文称，所得LK-99样品在室温下不具备超导性。

2023年7月22日，韩国物理学家团队在预印本网站arXiv上传两篇论文，声称他们发现了名为LK-99的世界首个室温常压超导体。据他们所述，这种改性铅磷灰石晶体在常压下的超导临界点可达到127℃。然而，团队成员于8月2日表示，论文存在缺陷，其中一名成员擅自发布。团队已要求撤下论文。同日，韩国超导学会成立了" LK-99 验证委员会"，负责验证该成果的真实性，因国内外争议较大。韩国超导低温学会在8月3日进行了科学评估，并得出结论认定"LK-99"并非超导体，因为材料未展现"迈斯纳现象"。随后，韩国团队发表第二篇论文，在视频中展示了第二个LK-99半悬浮现象。华中科技大学团队也在arXiv上发表了一篇论文，成功合成了LK-99，并在室温大气压下观测到了迈斯纳磁悬浮现象，并排除了铁磁性的影响，表明LK-99存在着潜在的超导机理。8月8日，北京大学量子材料科学中心（ICQM）和国家科学院等单位发布论文指出，他们合成的与韩国团队论文中主要成分一致的LK-99材料并不具备超导性。同时，印度国家实验室也发表了一篇论文，指出所得到的LK-99样品在室温下不具备超导性。

分类

已发现的超导材料主要可以划分如下几大家族：金属和合金超导体、铜氧化物超导体、重费米子超导体、有机超导体、铁基超导体以及其他氧化物超导体。

金属和合金超导体可以用传统超导微观理论解释，又称为常规超导体，而其他尚无法用传统超导理论解释的超导材料则叫做非常规超导体。铜氧化物和铁基超导体的超导临界温度可以超过传统超导理论预言的Tc上限40 K，因此他们又称为高温超导体。并不是所有铜氧化物和铁基超导体都有40 K以上的Tc，这两大家族部分体系的最高Tc也不过20 K甚至10 K，但由于其超导起源和家族里其他成员相同或相似，人们还是习惯称它们为高温超导体。新超导体在每个时期都在不断涌现，其中铜氧化物和铁基高温超导体的发现，都是在短时间内迅速提高了超导材料的最高Tc记录。

机理

伦敦方程

最开始的尝试是H. London和F. London兄弟，他们从超导现象的电磁表现入手，经过推理，发现超导现象起源于超导体中电子波函数的量子刚性。

以可量度的场表示时，伦敦方程共有两条：

其中为超导电流，和分别为超导体内部的电场与磁场，为基本电荷，为电子质量，而为一现象常数，大致上与超导电子的数密度有关。另一方面，可以利用较抽象的概念——磁矢势A，来把上面两条式子写成较简便的“伦敦方程”：

而该方程正是一个带电粒子的得布罗意波感受电磁场的作用产生电流的方程。F. London的上述发现意味着，在超导体中，电子的物质波发生了一种奇特的量子协同现象，表现得像一个单一的德布罗意波。这个德布罗意波不受外部电磁场的影响，被称为波函数的量子刚性。伦敦方程的成功在于将超导体内部和周围的电磁场与电流紧密联系起来，并且成功解释了迈斯纳效应。

G-L理论

1950年左右，前苏联科学家金兹堡（V.Ginzburg）和列夫·达维多维奇·朗道（L. Landau）提出了解释超导的唯象理论——金兹堡-朗道理论（G-L理论）。该理论建立在朗道二级相变理论的基础上，该理论成功解释了超导体；第一类超导体与第二类超导体就是根据G-L方程求解的界面能的正负判定的。根据G-L理论，超导体从正常态到超导态的转变是一个二级相变，因此，理论上可以在比热的测量中发现其在Tc处有一个跃变，或者叫一个峰。后来这也在实验上被证实。

BCS理论

超导临界温度的同位素效应为超导微观理论拉开了序幕。这个效应说的是，当对元素超导体做同位素替代时，体系的超导临界温度与同位素的质量的平方根成反比。这一发现表明，至少对这些元素超导体来说，晶格振动对于超导的发生起着决定性的作用。随之而来的是1957年BCS超导理论的提出。这个理论的核心就是电子在与晶格的耦合中会出现电子吸引电子的可能，这样两个电子会结成库珀对，结成库珀对的电子可以看作玻色子，在低温下，发生“凝聚”，能量可以无耗散地在凝聚的库珀对中流动，实现超导态。但BCS理论也不能解释所有超导态，如第二类超导体和高温超导体，根据BCS理论计算得到麦克米兰极限，即符合BCS理论的超导体Tc不会超过40K（-233℃），但实际上很多超导体都突破了这一极限，比如铜基超导和铁基超导体。

局限性

在BCS理论中，超导是由于固体中电子在某种吸引相互作用下形成具有一定玻色子特性的束缚态(也称为库珀对)，然后凝聚导致的。因此，超导机理的研究，根本上讲，就是要解决以下三个问题：

1. 电子是在什么相互作用的支配下，形成库珀对的？

2. 库珀对是如何形成位相相干、凝聚变成超导长程相干的？

3. 进入超导相后，如何描述超导电子的物理行为？

对于第一个问题，BCS给出了部分回答。它们指出普通金属超导体里面导致电子配对的相互作用是电声相互作用。但是对于铜氧化物高温超导体，BCS理论没有给出答案，我们现在也不知道答案是什么，这也是高温超导机理研究需要解决的一个关键问题。

对于第二个问题，BCS 没有给出系统的回答。在普通的金属超导体中，由于超流密度很大，电子相干性很强，从配对到形成超导长程相干几乎同时发生，基本上是一配对就超导。所以对金属超导体，这个问题没有受到太大的关注。但对高温超导体，超流密度减小，超导相干性减弱，库珀对的相干过程对超导体的性质有很大的影响。电子有可能形成了配对，但未能形成位相相干进入超导态。

对于第三个问题，也就是如何描述超导态电子的物理性质，BCS给出了答案，其理论框架是完备的。在超导相，电子形成了超导长程序，由于超导电子的物理性质与电子形成库珀对的过程没有太大关系，因此这部分理论无论是在金属超导体中，还是在铜氧化物高温超导体中都成立。只要知道能隙函数的对称性及其在费米面上随动量变化的函数形式，就可以根据BCS理论，对超导体的性质做非常准确的预测。

在常规超导体中，超导波函数往往是具有各向同性的空间波函数的自旋单重态(s波)，其电子配对的主要动力来自于电子—声子相互作用。这种机制在晶格动力学相比于电子运动较慢时成立，这是晶格中的离子比电子重得多导致的结果。高温超导发现后，理论上很快就预测铜氧化物高温超导电子的配对具有d 波对称性。但早期的实验结果并不支持这个理论预测。第一个高温超导具有d 波电子配对对称性的实验证据，是1993年由加拿大的Hardy 教授等通过微波实验测量磁穿透深度给出的。他们发现磁穿透深度在低温下随着温度线性变化，是d 波超导体的特征行为。随后，基于不同原理和不同方法的大量实验测量也都表明高温超导电子配对的确具有d 波对称性，根据d 波对称对高温超导体在超导相所做的理论预测也基本上都得到了实验的验证。因此，对于高温超导而言，第三个问题已经得到解决，但前两个问题依然还是个谜。这就是高温超导机理研究所面临的困难。前两个问题之所以难解决，是因为这两个问题不仅和高温超导体的超导性质有关，而且还与高温超导体的正常态 (非超导态) 的性质有关。而高温超导体正常态的物理性质非常不正常，其中许多性质在已有的固体量子框架下都得不到基本的解释。这就意味着高温超导现象超越了已有固体量子论的理论框架，需要建立新的固体量子理论，也就是所谓的强关联量子理论，才能真正解决高温超导问题。

理论障碍

高温超导在超导相的性质与BCS理论的预期是一致的，但正常相的性质却出现了大量反常，无法在已有的固体量子理论框架下得到解释。铜氧化物高温超导体随掺杂浓度和温度的变化相图，主要包含莫特绝缘体、超导、赝能隙、奇异金属和朗道费米液体5个相。高温超导体没有掺杂的母体材料是一个反铁磁莫特绝缘体，超导相是通过掺杂完全抑制掉这个反铁磁相后出现的。在超导相之上，欠掺杂区存在一个赝能隙，最佳掺杂区附近存在奇异金属相，在过掺杂区还存在一个与通常金属性质比较相似的朗道费米液体相。这5个相中，除了超导和朗道费米液体相，其他的3个相的物理性质都不能在已有的固体量子理论中得到很好的描述和解释。特别是莫特绝缘体中元节激发的微观描述、赝能隙产生的物理机理、超导的位相涨落、线性电阻以及电荷—自旋分离等问题，至今不能在一个统一的框架下得到满意的解释，是解决高温超导问题的主要障碍。

性质

超导体具有三个基本特性：超级导电性、抗磁性和通量量子化特性。超级导电性，由于超导体没有电阻，当电流流经时，既不会出现压降，也不会产热，因此电流可以无衰减地在超导体中流动。抗磁性是指部分超导体内部完全无磁场（第I类超导体），表现出完全抗磁效应，也有部分超导体允许极少部分磁场进入（第II类超导体），在内部形成磁通量子。通量量子化又称约瑟夫森效应，指当两层超导体之间的绝缘层薄至原子尺寸时，电子对可以穿过绝缘层产生隧道电流的现象。

相对于以上所描述的常规超导体的基本特性，非常规超导体也同样在超导转变温度以下具有零电阻和迈斯纳效应，但是其库珀对的形成机制以及超导波函数的对称性都与常规超导体存在很大的区别。例如在铜氧化合物超导体中，其超导对称性表现为d波对称性，其库珀对的形成并不是由电子—声子相互作用所产生，而是被认为与磁性涨落有着密切关联。

应用

室温超导体有着广阔的应用前景。

能源方面

但是如果电线是室温超导体，那么电就可以不受阻力地流动，整个电力基础设施可能会得到改造，电力传输的效率极大提升。可以应用于制造高效的能源存储设备，这将极大地推动可再生能源发展，减少对化石燃料的依赖。超导还可以用来造“太阳”，超导在极低温条件下具有零电阻效应，可以产生强大的环形磁场，用磁场约束太阳里主要的高温等离子体，同时不让它跟任何东西接触，即保持真空状态，这样就成功地把核聚变的热量“装起来”，而室温超导能在更小的空间内产生更强的磁场，让可控核聚变有了新的可能。

交通方面

超导现象中的迈斯纳效应用来制造超导列车和超导船，由于这些交通工具将在无磨擦状态下运行，将大大提高它们的速度和安静性能。超导列车已于70年代成功地进行了载人可行性试验；1987年开始，日本开始试运行，但经常出现失效现象，出现这种现象可能是由于高速行驶产生的颠簸造成的；超导船已于1992年1月27日下水试航，目前尚未进入实用化阶段。利用超导材料制造交通工具，在技术上还存在一定的障碍。