簡介
超導材料，又稱為超導體（superconductor）。當某導體在一溫度下，可使電阻為零而稱之。零電阻和抗磁性是超導體的兩個重要特性。發展史
1911年
超導體1933年1933年，邁斯納和奧克森菲爾德兩位科學家發現，如果把超導體放在磁場中冷卻，則在材料電阻消失的同時，磁感應線將從超導體中排出，不能通過超導體，這種現象稱為抗磁性。經過科學家們的努力，高溫超導材料。
1973年
1973年，發現超導合金――鈮鍺合金，其臨界超導溫度為23.2K（﹣249.95℃），這一記錄保持了近13年。
1986年1986年，設在瑞士蘇黎世的美國IBM公司的研究中心報導了一種氧化物（鑭鋇銅氧化物）具有35K（﹣240.15）的高溫超導性。此後，科學家們幾乎每隔幾天，就有新的研究成果出現。1986年，美國貝爾實驗室研究的超導材料，其臨界超導溫度達到40K（﹣235.15℃）液氫的“溫度壁壘”（40K）被跨越。
1987年
1987年，美國華裔科學家朱經武以及中國科學家趙忠賢相繼在釔－鋇－銅－氧系材料上把臨界超導溫度提高到90K（﹣185.15℃）以上，液氮的“溫度壁壘”（77K）也被突破了。1987年底，鉈－鋇－鈣－銅－氧系材料又把臨界超導溫度的記錄提高到125K（﹣150.15℃）。從1986－1987年的短短一年多的時間裡，臨界超導溫度提高了近100K。
來自德國、法國和俄羅斯的科學家利用中子散射技術，在高溫超導體的一個成員單銅氧層Tl2Ba2CuO6+δ中觀察到了所謂的磁共振模式，進一步證實了這種模式在高溫超導體中存在的一般性。該發現有助於對銅氧化物超導體機制的研究。高溫超導體具有更高的超導轉變溫度（通常高於氮氣液化的溫度），有利於超導現象在工業界的廣泛利用。高溫超導體的發現迄今已有16年，而對其不同於常規超導體的許多特點及其微觀機制的研究，卻仍處於相當“初級”的階段。這一點不僅反映在沒有一個單一的理論能夠完全描述和解釋高溫超導體的特性，更反映在缺乏統一的、在各個不同體系上普遍存在的“本徵”實驗現象。本期Science所報導的結果意味著中子散射領域裡一個長期存在的困惑很有可能得到解決。
早在1991年，法國物理學家利用中子散射技術在雙銅氧層YBa2Cu3O6+δ超導體單晶中發現了一個微弱的磁性信號。隨後的實驗證明，這種信號僅在超導體處於超導狀態時才顯著增強並被稱為磁共振模式。這個發現表明電子的自鏇以某種合作的方式產生一種集體的有序運動，而這是常規超導體所不具有的。這種集體運動有可能參與了電子的配對，並對超導機制負責，其作用類似於常規超導體內引起電子配對的晶格振動。但是，在另一個超導體La2－xSrxCuO4+δ（單銅氧層）中，卻無法觀察到同樣的現象。這使物理學家懷疑這種磁共振模式並非銅氧化物超導體的普遍現象。1999年，在Bi2Sr2CaCu2O8+δ單晶上也觀察到了這種磁共振信號。但由於Bi2Sr2CaCu2O8+δ與YBa2Cu3O6+δ一樣，也具有雙銅氧層結構，關於磁共振模式是雙銅氧層的特殊表征還是“普遍”現象的困惑並未得到徹底解決。
理想的候選者應該是典型的高溫超導晶體，結構儘可能簡單，只具有單銅氧層。困難在於，由於中子與物質的相互作用很弱，只有足夠大的晶體才可能進行中子散射實驗。隨著中子散射技術的成熟，對晶體尺寸的要求已降低到0.1cm微量級。晶體生長技術的進步，也使Tl2Ba2CuO6+δ單晶體的尺寸進入毫米量級，而它正是一個理想的候選者。科學家把300個毫米量級的Tl2Ba2CuO6+δ單晶以同一標準按晶體學取向排列在一起，構成一個“人造”單晶，“提前”達到了中子散射的要求。經過近兩個月散射譜的蒐集與反覆驗證，終於以確鑿的實驗數據顯示在這樣一個近乎理想的高溫超導單晶上也存在磁共振模式。這一結果說明磁共振模式是高溫超導的一個普遍現象。而La2－xSrxCuO4+δ體系上磁共振模式的缺席只是“普遍”現象的例外，這可能與其結構的特殊性有關。
超導體 關於磁共振模式及其與電子間相互作用的理論和實驗研究一直是高溫超導領域的熱點之一，上述結果將引起許多物理學家的關注與興趣。
20世紀80年代是超導電性的探索與研究的黃金年代。1981年合成了有機超導體，1986年繆勒和柏諾茲發現了一種成分為鋇、鑭、銅、氧的陶瓷性金屬氧化物LaBaCuO4，其臨界溫度約為35K。由於陶瓷性金屬氧化物通常是絕緣物質，因此這個發現的意義非常重大，繆勒和柏諾茲因此而榮獲了1987年度諾貝爾物理學獎。
1987年在超導材料的探索中又有新的突破，美國休斯頓大學物理學家朱經武小組與中國科學院物理研究所趙忠賢等人先後研製成臨界溫度約為90K的超導材料YBCO（釔鋇銅氧）。
1988年1988年初日本研製成臨界溫度達110K的Bi-Sr-Ca-Cu-O超導體。至此，人類終於實現了液氮溫區超導體的夢想，實現了科學史上的重大突破。這類超導體由於其臨界溫度在液氮溫度（77K）以上，因此被稱為高溫超導體。
自從高溫超導材料發現以後，一陣超導熱席捲了全球。科學家還發現鉈系化合物超導材料的臨界溫度可達125K（﹣150.15℃）汞系化合物超導材料的臨界溫度則高達135K。如果將汞置於高壓條件下，其臨界溫度將能達到難以置信的164K。
1997年1997年，研究人員發現，金銦合金在接近絕對零度時既是超導體同時也是磁體。1999年科學家發現釕銅化合物在45K（﹣230.15℃）時具有超導電性。由於該化合物獨特的晶體結構，它在計算機數據存儲中的套用潛力將是非常巨大的。
2007年自2007年12月開始，中國科學院物理研究所的陳根富博士已投入到鑭氧鐵砷非摻雜單晶體的製備中。2007年2月18日，日本東京工業大學的細野秀雄教授和他的合作者在《美國化學會志》上發表了一篇兩頁的文章，指出氟摻雜鑭氧鐵砷化合物在零下247.15℃時即具有超導電性。在長期研究中保持著跨界關注習慣的陳根富和王楠林研究員立即捕捉到了這一訊息的價值，王楠林小組迅速轉向製作摻雜樣品，他們在一周內實現了超導並測量了基本物理性質。
幾乎與此同時，物理所聞海虎研究組通過在鑭氧鐵砷材料中用二價金屬鍶替換三價的鑭，發現有臨界溫度為零下248.15℃以上的超導電性。
2008年2008年3月25日和3月26日，中國科學技術大學陳仙輝組和物理所王楠林組分別獨立發現臨界溫度超過零下233.15℃的超導體，突破麥克米蘭極限，證實為非傳統超導。2008年3月29日，中國科學院院士、物理所研究員趙忠賢領導的小組通過氟摻雜的鐠氧鐵砷化合物的超導臨界溫度可達零下221.15℃，4月初該小組又發現無氟缺氧釤氧鐵砷化合物在壓力環境下合成超導臨界溫度可進一步提升至零下218.15℃。
2009年2009年10月10日，美國科學家合成物質(Tl4Ba)Ba2Ca2Cu7O13+,將超導溫度提高到254K，距離冰點僅19℃，對於推廣超導的實際套用具有極大的意義。
電流實驗
為了證實（超導體）電阻為零，科學家將一個鉛制的圓環，放入溫度低於Tc=7.2K的空間，利用電磁感應使環內激發起感應電流。結果發現，環內電流能持續下去，從1954年3月16日始，到1956年9月5日止，在兩年半的時間內的電流一直沒有衰減，這說明圓環內的電能沒有損失，當溫度升到高於Tc時，圓環由超導狀態變正常態，材料的電阻驟然增大，感應電流立刻消失，這就是著名的昂尼斯持久電流實驗。技術及發明
技術發現
超導體這一發現引起了世界範圍內的震動。在他之後，人們開始把處於超導狀態的導體稱之為“超導體”。超導體的直流電阻率在一定的低溫下突然消失，被稱作零電阻效應。導體沒有了電阻，電流流經超導體時就不發生熱損耗，電流可以毫無阻力地在導線中流大的電流，從而產生超強磁場。
1933年，荷蘭的邁斯納和奧森菲爾德共同發現了超導體的另一個極為重要的性質，當金屬處在超導狀態時，這一超導體內的磁感應強度為零，卻把原來存在於體內的磁場排擠出去。對單晶錫球進行實驗發現：錫球過渡到超導態時，錫球周圍的磁場突然發生變化，磁力線似乎一下子被排斥到超導體之外去了，人們將這種現象稱之為“邁斯納效應”。
後來人們還做過這樣一個實驗：在一個淺平的錫盤中，放入一個體積很小但磁性很強的永久磁體，然後把溫度降低，使錫盤出現超導性，這時可以看到，小磁鐵竟然離開錫盤表面，慢慢地飄起，懸空不動。
邁斯納效應有著重要的意義，它可以用來判別物質是否具有超導性。
為了使超導材料有實用性，人們開始了探索高溫超導的歷程，從1911年至1986年，超導溫度由水銀的4.2K提高到23.22K（絕對零度代號為K=-273℃）。86年1月發現鋇鑭銅氧化物超導溫度是30K，12月30日，又將這一紀錄刷新為40.2K，87年1月升至43K，不久又升至46K和53K，2月15日發現了98K超導體，很快又發現了14℃下存在超導跡象，高溫超導體取得了巨大突破，使超導技術走向大規模套用。
超導材料和超導技術有著廣闊的套用前景。超導現象中的邁斯納效應使人們可以到用此原理製造超導列車和超導船，由於這些交通工具將在無摩擦狀態下運行，這將大大提高它們的速度和安靜性能。超導列車已於70年代成功地進行了載人可行性試驗，1987年開始，日本開始試運行，但經常出現失效現象，出現這種現象可能是由於高速行駛產生的顛簸造成的。超導船已於1992年1月27日下水試航，目前尚未進入實用化階段。利用超導材料製造交通工具在技術上還存在一定的障礙，但它勢必會引發交通工具革命的一次浪潮。
超導材料的零電阻特性可以用來輸電和製造大型磁體。超高壓輸電會有很大的損耗，而利用超導體則可最大限度地降低損耗，但由於臨界溫度較高的超導體還未進入實用階段，從而限制了超導輸電的採用。隨著技術的發展，新超導材料的不斷湧現，超導輸電的希望能在不久的將來得以實現。
現有的高溫超導體還處於必須用液態氮來冷卻的狀態，但它仍舊被認為是20世紀最偉大的發現之一。
發明
超導磁流體推進船 1911年，荷蘭科學家昂內斯用液氦冷卻水銀，當溫度下降到4.2K時發現水銀的電阻完全消失，
這種現象稱為超導電性。1933年，邁斯納和奧克森菲爾德兩位科學家發現了這種現象稱為之為抗磁性。
超導電性和抗磁性是超導體的兩個重要特性。使超導體電阻為零的溫度，叫超導臨界溫度。經過科學家們數十年的努力，超導材料的磁電障礙已被跨越，接下來的難關是突破溫度障礙，就是尋求高溫超導材料。
2、奇異的超導陶瓷
1973年，人們發現了超導合金――鈮鍺合金，其臨界超導溫度為23.2K，該記錄保持了13年。1986年，設在瑞士蘇黎世的美國IBM公司的研究中心報導了一種氧化物（鑭－鋇－銅－氧）具有35K的高溫超導性，打破了傳統“氧化物陶瓷是絕緣體”的觀念，引起世界科學界的轟動。此後，科學家們爭分奪秒地攻關，幾乎每隔幾天，就有新的研究成果出現。
1986年底，美國貝爾實驗室研究的氧化物超導材料，其臨界超導溫度達到40K，液氫的“溫度壁壘”（40K）被跨越。1987年2月，美國華裔科學家朱經武和中國科學家趙忠賢相繼在釔－鋇－銅－氧系材料上把臨界超導溫度提高到90K以上，液氮的禁區（77K）也奇蹟般地被突破了。1987年底，鉈－鋇－鈣－銅－氧系材料又把臨界超導溫度的記錄提高到125K。從1986－1987年的短短一年多的時間裡，臨界超導溫度竟然提高了100K以上，這在材料發展史，乃至科技發展史上都堪稱是一大奇蹟！高溫超導材料的不斷問世，為超導材料從實驗室走向套用鋪平了道路。
超導體分類
超導體的分類並沒有統一的標準，通常的分類方法有以下幾種：通過材料對於磁場的相應可以把它們分為第一類超導體和第二類超導體：對於第一類超導體只存在一個單一的臨界磁場，超過臨界磁場的時候，超導性消失；對於第二類超導體，他們有兩個臨界磁場值，在兩個臨界值之間，材料允許部分磁場穿透材料。
通過解釋的理論不同可以把它們分為：傳統超導體（如果它們可以用BCS理論或其推論解釋）和非傳統超導體（如果它們不能用上述理論解釋）。
通過材料達到超導的臨界溫度可以把它們分為高溫超導體和低溫超導體：高溫超導體通常指它們的轉變溫度達到液氮溫度（大於77K）；低溫超導體通常指它們需要其他特殊的技術才可以達到它們的轉變溫度。
通過材料可以將它們分為化學材料超導體比如：鉛和水銀；合金超導體比如：鈮鈦合金；氧化物超導體,比如釔鋇銅氧化物；有機超導體,比如：碳納米管。
超導磁體
簡述
超導材料最誘人的套用是發電、輸電和儲能。由於超導材料在超導狀態下具有零電阻和完全的抗磁性，因此只需消耗極少的電能，就可以獲得10萬高斯以上的穩態強磁場。而用常規導體做磁體，要產生這么大的磁場，需要消耗3.5兆瓦的電能及大量的冷卻水，投資巨大。
超導磁體可用於製作交流超導發電機、磁流體發電機和超導輸電線路等。
超導發電機
在電力領域，利用超導線圈磁體可以將發電機的磁場強度提高到5萬～6萬高斯，並且幾乎沒有能量損失，這種發電機便是交流超導發電機。超導發電機的單機發電容量比常規發電機提高5～10倍，達1萬兆瓦，而體積卻減少1/2，整機重量減輕1/3，發電效率提高50%。磁流體發電機
磁流體發電機同樣離不開超導強磁體的幫助。磁流體發電，是利用高溫導電性氣體（電漿）作導體，並高速通過磁場強度為5萬～6萬高斯的強磁場而發電。磁流體發電機的結構非常簡單，用於磁流體發電的高溫導電性氣體還可重複利用。超導輸電線路
超導材料還可以用於製作超導電線和超導變壓器，從而把電力幾乎無損耗地輸送給用戶。據統計，用銅或鋁導線輸電，約有15%的電能損耗在輸電線路上，光是在中國，每年的電力損失即達1000多億度。若改為超導輸電，節省的電能相當於新建數十個大型發電廠。超導套用
基本信息
高溫超導材料的用途非常廣闊，大致可分為三類：大電流套用（強電套用）、電子學套用（弱電套用）和抗磁性套用。大電流套用即前述的超導發電、輸電和儲能；電子學套用包括超導計算機、超導天線、超導微波器件等；抗磁性主要套用於磁懸浮列車和熱核聚變反應堆等。超導磁懸浮列車
超導磁懸浮列車 利用超導材料的抗磁性，將超導材料放在一塊永久磁體的上方，由於磁體的磁力線不能穿過超導體，磁體和超導體之間會產生排斥力，使超導體懸浮在磁體上方。利用這種磁懸浮效應可以製作高速超導磁懸浮列車。超導磁體計算機
超導磁體計算機 高速計算機要求積體電路晶片上的元件和連線線密集排列，但密集排列的電路在工作時會發生大量的熱，而散熱是超大規模積體電路面臨的難題。超導計算機中的超大規模積體電路，其元件間的互連線用接近零電阻和超微發熱的超導器件來製作，不存在散熱問題，同時計算機的運算速度大大提高。此外，科學家正研究用半導體和超導體來製造電晶體，甚至完全用超導體來製作電晶體。磁封閉體
核聚變反應堆“磁封閉體”核聚變反應時，內部溫度高達1億～2億攝氏度，沒有任何常規材料可以包容這些物質。而超導體產生的強磁場可以作為“磁封閉體”，將熱核反應堆中的超高溫電漿包圍、約束起來，然後慢慢釋放，從而使受控核聚變能源成為21世紀前景廣闊的新能源。費密冷凝體
超導托卡馬克核聚變實驗裝置這種新的物質形態稱作“費密冷凝體”，是已知的第六種物質形態。前五種物質形態分別為氣體、固體、液體、電漿和1995年剛剛發明的玻色一愛因斯坦冷凝體。
費密子和玻色子的重大差異，體現在“自鏇”這一量子力學特性上。費密子是像電子一樣的粒子，有半整數自鏇（如1/2，3/2，5/2等）；而玻色子是像光子一樣的粒子，有整數自鏇（如0，1，2等）。這種自鏇差異使費密子和玻色子有完全不同的特性。沒有任何兩個費密子能有同樣的量子態：它們沒有相同的特性，也不能在同一時間處於同一地點；而玻色子卻能夠具有相同的特性。因此，1995年物理學家將一定數量銣和鈉原子冷卻成玻色子時，大部分原子變成了同樣的低溫量子態，實際上成為單一巨大的整體原子：玻色一愛因斯坦凝聚態。但像鉀一40或鋰一6這樣的費密子，即使在很低的溫度下，每種粒子必定也有稍微不同的特性。
2003年，物理學家找到了一個克服以上障礙的方法。他們將費密子成對轉變成玻色子，兩個半整數自鏇組成一個整數自鏇，費密子對就起到了玻色子的作用，所有氣體突然冷凝至玻色一愛因斯坦凝聚態。奧地利英斯布瑞克大學的科學家將鋰一6原子冷卻，同時施加穩定磁場，促使費密子結合在一起；美國科羅拉多“實驗室天體物理學聯合研究所”採用的技術略有不同，他們將鉀一40原子冷卻後施加磁場，通過磁場變化讓每個原子強烈吸引附近的原子，誘發它們形成成對原子，然後凝聚成玻色一愛因斯坦凝聚態。
1962年，年僅20多歲的劍橋大學實驗物理研究生約瑟夫遜在著名科學家安德森指導下研究超導體能隙性質，他提出在超導結中，電子對可以通過氧化層形成無阻的超導電流，這個現象稱作直流約瑟夫遜效應。當外加直流電壓為V時，除直流超導電流之外，還存在交流電流，這個現象稱作交流約瑟夫遜效應。將超導體放在磁場中，磁場透入氧化層，這時超導結的最大超導電流隨外磁場大小作有規律的變化。約瑟夫遜的這一重要發現為超導體中電子對運動提供了證據，使對超導現象本質的認識更加深入。約瑟夫森效應成為微弱電磁信號探測和其他電子學套用的基礎。70年代超導列車成功地進行了載人可行性試驗。超導列車是在車上安裝強大的超導磁體，地上安放一系列金屬環狀線圈。當車輛行進時，車上的磁體在地上的線圈中感應起相反的磁極，使兩者的斥力將車子浮出地面。車輛在電機牽引下無摩擦地前進，時速可高達500千米。1987年3月12日中國北京大學成功地用液氮進行超導磁懸浮實驗。1987年日本鐵道綜合技術研究所的“MLU002”號磁懸浮實驗車開始試運行1991年3月日本住友電氣工業公司展示了世界上第一個超導磁體。1991年10月日本原子能研究所和東芝公司共同研製成核聚變堆用的新型超導線圈。該線圈電流密度達到每平方毫米40安培，為過去的3倍多，達到世界最高水準。該研究所把這個線圈大型化後提供給國際熱核聚變堆使用。這個新型磁體使用的超導材料是鈮和錫的化合物。1992年1月27日第一艘由日本船舶和海洋基金會建造的超導船“大和”1號在日本神戶下水試航。超導船由船上的超導磁體產生強磁場，船兩側的正負電極使水中電流從船的一側向另一側流動，磁場和電流之間的洛化茲力驅動船舶高速前進。這種高速超導船直到目前尚未進入實用化階段，但實驗證明，這種船舶有可能引發船舶工業爆發一次革命，就像當年富爾頓發明輪船最後取代了帆船那樣。1992年一個以巨型超導磁體為主的超導超級對撞機特大型設備，於美國德克薩斯州建成並投入使用，耗資超過82億美元。1996年改進高溫超導電線的研究工作取得進展，製成了第一條地下輸電電纜。歐洲電纜巨頭皮雷利電纜公司、美國超導體公司和舊金山的電力研究所的工人，共同把6000米長的鉍、鍶、鈣、銅和氧製成的線纏繞到一根保持超導溫度的液氮的空管子上。目前國內外的研究狀況及發展趨勢強磁場實驗裝置是開展強磁場下物理實驗的最基本條件。建立20T以上的穩態強磁場裝置是複雜的涉及多學科和高難度的大型綜合性科學工程，其建設費用高，磁體裝置的運行費用也很高。正因為如此，國際上擁有20T以上的穩態磁體的強磁場實驗中心僅分布在主要的工業大國。世界上第一個強磁場實驗室於1960年建於美國的MIT。隨後，歐州的英國、荷蘭、法國和德國以及東歐和蘇聯相繼在70年代建立了強磁場實驗室。日本的強磁場實驗室建於80年代初。磁場水平由60年代的20T，提高到80年代的30T。90年代初，美國政府決定在福羅里達州建立新的國家強磁場實驗室,日本在筑波建立了新的強磁場實驗室,強場磁體技術有了長足的進步和發展，穩態磁場水平可望達到40-50T。伴隨著強磁場實驗室的建立，強磁場下的物理研究也在不斷深入。量子霍爾效應的發現得到了1985年諾貝爾物理學獎。它是在20T穩態強磁場中研究金屬－氧化物－半導體場效應電晶體輸運過程時觀測到的。21世界以來，有關強磁場下物理工作的文章對每個強磁場實驗室來說平均每年都在上百篇，其中有很多重要的科學發現。發展趨勢普遍是將凝聚態物理學領域中前沿的研究對象如高溫超導材料、納米材料、低維系統等同強磁場極端條件相結合加以研究。在Grenoble強磁場實驗室，半導體材料和半導體超晶格中的光電特性以及元激發及其互作用等是其主要的研究內容，而在美國、日本等強磁場實驗室，則側重在高溫超導材料、低維系統、強關聯電子系統、人造超晶格以及新材料等方面。同時，強磁場下的化學反應過程、生物效應等方面的研究也逐漸為人們所重視。在中國雖有一些6T-12T的超導磁體分散在全國各地，但尚未形成一個全國性的強磁場實驗中心，我國在10T以上穩態強磁場下的系統的科學研究工作尚屬空白。為滿足國內強磁場研究工作的需要，早在1984年中國科學院數理學部就組織論證，決策在等離子體物理研究所建立以20T穩態強磁場裝置為主體的強磁場實驗室。該裝置於1992年建成並投入運行。與此同時，實驗室相繼建成了多個能滿足不同物理實驗、場強在15T左右的穩態強磁場裝置，配備了相應的輸運和磁化測量系統以及低溫系統。中國科學院院士、著名物理學家馮端先生在了解了合肥強磁場實驗室的情況後非常感慨地說：過去中國沒有強磁場條件，對有關強磁場下的物理工作連想都不敢想，1992年來有了強磁場條件我們應該好好的考慮考慮這方面的問題了。
