超导 （导体在某温度下电阻为零的状态）

分类

对超导可以根据多种标准进行分类，分别是临界温度、材料以及操作理论等。

通过临界温度进行分类

从1911年第一次发现超导现象，经过学者们不断的研究发现超导转变温度最高为铌三锗的23K，这些材料通常需要采用液氦进行降温，这些现象也被称为低温超导。1986年，Bednorz 和 Muller 发现了达到 30 K 的La-Ba-Cu-O超导体，标志着高温超导研究的开始。

• 高温超导：当超导体达到高于30K（-243.15°C）温度的超导状态，通常被认为是高温超导。高温超导可以采用液氮冷却使温度到达77K以下。

• 低温超导：低温超导是指临界温度低于30 K的材料，主要由液氦冷却。该规则的一个例外是超导体的铁pnictide组，其表现出高温超导体的典型行为和性质，但其中一些组的临界温度低于30 K。

通过材料进行分类

超导体材料类别包括化学元素（例如汞或铅），合金（例如铌 - 钛，锗 - 铌和氮化铌），陶瓷（YBCO和二硼化镁），超导pnictide（如氟掺杂LaOFeAs）或有机超导体（富勒烯和碳纳米管。

通过操作理论进行分类

• 常规超导：可以用BCS理论或其衍生物来解释

• 非常规超导：超导阶参数根据系统的点群或空间群的非平凡不可约表示进行变换

通过迈斯纳状态击穿方式进行分类

• I型超导体：施加的电场强度超过临界值Hc时，超导性会突然被破坏：

• II型超导体：施加的磁场提高到临界值以上会导致混合状态（也称为涡流状态），在这种状态下，不断增加的磁通量会穿透材料，但只要电流不太大，就不会电阻

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发现了镧钡铜氧化物（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，用钇代替镧（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

• 超导磁体：超导磁体是已知的一些最强大的电磁铁，可以被用于核磁共振机、质谱仪、粒子加速器中使用的束流控制磁体以及一些托卡马克中的等离子体限制磁体，也可用于磁性分离。在磁性分离中，可以从较少或非磁性颗粒中提取弱磁性颗粒。此外它们还可用于大型风力涡轮机，以克服高电流所带来的限制，1000KW高温超导发电机样机已经研制成功。

• 实验数字计算机：超导体可以被用来制造使用低温开关的。最近，超导体被用于制造基于快速单通量量子技术的数字电路，以及用于移动电话基站的射频和微波滤波器。

• 建立约瑟夫逊结：这是SQUID（超导量子干涉器件）的基石，SQUID是已知最灵敏的磁强计。超导体-绝缘体-超导体约瑟夫森结可以用作光子探测器或混频器。在从正常状态到超导状态的转变过程中，大的电阻变化被用于在低温微量热计光子探测器中构建温度计。同样的效果也用于超导材料制成的超灵敏测辐射热计。超导纳米线单光子探测器提供高速、低噪声的单光子探测，并已广泛应用于高级光子计数应用。

• 其他：高性能智能电网、电力传输、变压器、电力存储设备、电动机（例如用于车辆推进，如在真空列车或磁悬浮列车中）、磁悬浮设备、故障电流限制器、用超导材料增强自旋电子设备、和超导磁制冷。

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。

全球范围内，高温超导从材料到应用都将迎来产业爆发。未来10年里，高温超导感应加热技术在新能源、节能环保、高端装备制造等多种产业中都将产生颠覆性的变革和不可估量的应用前景。

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。

超导领域的诺贝尔奖

• Heike Kamerling Onnes（1913年），“他对低温下的物质特性的研究导致了液氦的产生”

• John Bardeen、Leon N.Cooper和J.Robert Schrieffer（1972），“因为他们共同开发的超导理论，通常称为BCS理论”

• Leo Esaki、Ivar Giaever和Brian D.Josephson（1973），“分别就半导体和超导体中的隧道现象进行了实验发现”，以及“对通过隧道势垒的超电流特性进行了理论预测，特别是那些通常被称为约瑟夫森效应的现象”

• Georg Bednorz和K.Alex Müller（1987），“他们在发现陶瓷材料中的超导性方面取得了重要突破”

• Alexei A.Abrikosov、Vitaly L.Ginzburg和Anthony J.Leggett（2003），“对超导体和超流体理论的开创性贡献”