超导现象（图片来源：美国橡树岭国家实验室）
在科幻电影《阿凡达》里(lǐ)，潘(pān)多(duō)拉(lā)星(xīng)球(qiú)上(shàng)的(de)神奇室温超导矿石“Unobtanium”令人惊叹不已。这种矿石凭借其超导特性，使得一座座巍峨的“哈利路亚” 大山能够轻盈地悬浮在空中，营造出如梦如幻的外星奇景。
电影《阿凡达（Avatar）》剧照
在科学的世界里，超导材料如同一块(kuài)神(shén)奇(qí)的(de)“魔(mó)法(fǎ)石(shí)”，它(tā)有(yǒu)着(zhe)违(wéi)背(bèi)常(cháng)理(lǐ)的(de)“超(chāo)能(néng)力(lì)”，电(diàn)流(liú)通(tōng)过(guò)时(shí)零(líng)电(diàn)阻(zǔ)，还(hái)能(néng)排(pái)斥(chì)磁(cí)场(chǎng)，这(zhè)些(xiē)特(tè)性(xìng)使(shǐ)其(qí)在(zài)众(zhòng)多(duō)领(lǐng)域展(zhǎn)现(xiàn)出(chū)无(wú)与(yǔ)伦(lún)比(bǐ)的(de)应(yīng)用(yòng)潜(qián)力(lì)，成(chéng)为(wèi)科学家们竞相研究的热点，自被发现起就吸引着众多科学家探寻。
什么是超导体
超导体是一种具有以下两种特性的材料：在达到特定温度和磁场条件下，①电阻消失；②完全排(pái)斥(chì)内(nèi)部(bù)磁(cí)场(chǎng)。
左图：海克·卡末林·昂内斯在 T =4.21 K 的汞中首次发现了电阻率的消失；右图：迈斯纳效应（图片来源：哈佛大学网站）
1911年，荷兰科学家海克·卡末林·昂内斯（Kamerlingh-Onnes）首次发现，在极低温环境中，温度降至4.2K，汞的电阻率趋近于零，首次证实了超导现象的存在。
1933年，迈斯纳（Meissner）和奥森菲尔德（Ochsenfeld）发现，在特定的温度和磁场条件下，超导体能够实现其内部磁通量的完全排斥，后来这一现象被称为迈斯纳效应。
在接下来的几十年里，理论家们努(nǔ)力(lì)寻(xún)找(zhǎo)超(chāo)导(dǎo)性(xìng)的(de)微(wēi)观(guān)理(lǐ)论(lùn)。1935年(nián)的(de)伦(lún)敦(dūn)理(lǐ)论(lùn)（theLondon theory）和(hé)1950年(nián)的(de)金(jīn)茨(cí)伯(bó)格(gé)-朗(lǎng)道(dào)理(lǐ)论(lùn)（Ginzburg–Landautheory）取(qǔ)得(de)了(le)重(zhòng)大(dà)进(jìn)展(zhǎn)。但(dàn)直(zhí)到(dào)1957年(nián)，也(yě)就(jiù)是(shì)超(chāo)导(dǎo)性(xìng)最(zuì)初(chū)实(shí)验(yàn)发(fā)现(xiàn)整(zhěng)整(zhěng)46年(nián)后(hòu)，巴(ba)丁(dīng)Bardeen、库(kù)珀(pò)（Cooper）和(hé)施(shī)里(lǐ)弗(fú)（Schrieffer）才(cái)提(tí)出(chū)了(le)重(zhòng)要(yào)的(de)超(chāo)导(dǎo)现(xiàn)象(xiàng)微(wēi)观(guān)理(lǐ)论(lùn)，被(bèi)广(guǎng)为(wèi)接受，也就是著名的 BCS理论。
BCS理论的三位发现者因此获得了1972年的诺贝尔物理学奖
简单来说，当一块金属导电时，由于粒子碰撞会损耗能量，并且温度越高能量损失得越多，也就是电阻越大。
金属导电的粒子运动
而当温度降低到一定程度时，粒子热运动可以忽略不计，此时，当电子穿过时会与周围原子产生吸引力，同时对随后的电子产生(shēng)吸(xī)引(yǐn)力(lì)，使(shǐ)两(liǎng)个(gè)电(diàn)子(zi)聚(jù)集在一起形成库珀对（Cooperpair）。
库珀对的作用力很微弱，热运动就会轻松破坏它。当形成库珀对后，原本是两个费(fèi)米(mǐ)子(zi)的(de)电(diàn)子(zi)就(jiù)会(huì)具(jù)有(yǒu)玻色子的特质，使电子处于最低能级的相同状态，此时电子就可以完全无损耗地穿过，也就是超导现象的发生。
库珀对（Cooperpair）
当然，BCS理论只适用于低温常规的I类超导体的解释，而许多非常规超导体的原理我们至今还是未知。
元(yuán)素周期表，标注了超导元素的临界温度
低温超导：老牌先锋
低温超导体一般是指临界温度低于30K 的材料，主要由液氦 （Tc >4.2 K）进行冷却达到超导状态。这类超导体也就是BCS理论可以解释的范畴(chóu)。
汞(gǒng)作为首个被发现的超导体，便是典型的低温超导材料，其超导临界温度约为4.2K，处于接近绝对零度的极低温环境。在这样的低温下，汞原子的热振动大幅减弱，使得电子能够顺利配对形成库珀对，进而展现出超导特性。
除了汞之外，铌钛合金（NbTi）和铌三锡（Nb₃Sn）等也是常见的低温超导材料。它们凭借出色的超导性能，在核磁共振成像（MRI）、粒子加速器、核聚变装置等诸多领域大显身手。
高温超导：后起之秀
随着科技的不断进步，高温超导材料在20世纪80年代崭露头角。
1986年在瑞士IBM工作的Bednorz和Müller发现了一类新的超导材料LaBaCuO（30K）。次年，随着YBa2Cu3O7-x（90K）的发现，液氮温度障碍（77K）被打破。
77K以上的超导体节省电能的经济潜力是巨大的，因(yīn)为(wèi)这(zhè)是液氮的沸点。虽然液氦可以用于降低温度到4k制造超导材料，但此时每升成本约为5美元。但如果仅需把温度降到77K以上，此时每升液氮的成本仅为0.30美元左右。
目前有两类高温超导材料，一类为铜氧化物，一类为铁砷或者铁硒化物，简单就是一个叫铜基超导体，一个叫铁基超导体。
2024年10月，我国科研团队联合国外的多个研究团队，在镍基高温超导体的研究中取得了重要进展，对于镍基高温超导材料的进一步优化设计与合成具有重要指导作用，将推动镍基高温超导体的研究进程。
常温超导：科幻之光
当越来越多的高温超导材料被发现时，我们不仅会设想如果常温超导材料出现，我们的生活又会发生什么翻天覆地的变化。虽然目前在现实世界中，真正意义上的常温常压超导材料尚未被确凿证实，但它频繁地出现在科幻作品中，成为激发人们想象力的源泉。
从科学理论的角度畅想，一旦常温超导成为(wèi)现(xiàn)实(shí)，那(nà)将(jiāng)引(yǐn)发(fā)一(yī)场(chǎng)足(zú)以(yǐ)颠(diān)覆(fù)人(rén)类(lèi)社(shè)会(huì)的(de)科(kē)技(jì)革(gé)命(mìng)。
在(zài)能(néng)源(yuán)领(lǐng)域，超(chāo)导(dǎo)输电将彻底摒弃传统输电过程中的电阻损耗，实现电能的近乎无损传输，让电力能够以极低的成本输送到世界的每一个角落，真正开启能源无限化的崭新时代。
在交通领域，磁悬浮技术将不再受限于高昂的制冷成本和复杂的低温系统，汽车、火车甚至飞机都有可能借助超导磁体实现高效、高速的悬浮运行，城市交通拥堵或将成为历史。
在计算科学领域，基于超导材料的量子计算机将如虎添翼，凭借超导量子比特的超快运算速度和超强稳定性，轻松攻克现有计算机难以企及的复杂难(nán)题(tí)，为人工智能、密码学、药物研发等众多领域带来飞跃式发展。
遗憾的是，到目前为止，科学家们尚未在常压(yā)下(xià)实(shí)现(xiàn)真(zhēn)正(zhèng)意(yì)义(yì)上(shàng)的(de)室(shì)温(wēn)超(chāo)导(dǎo)。目(mù)前(qián)发(fā)现(xiàn)的(de)室(shì)温(wēn)超(chāo)导(dǎo)材(cái)料(liào)需(xū)要(yào)在(zài)极高的压力条件下才能表现出超导特性，距离实际应用还有很大距离。
例如，2020年10月，美国的迪亚兹团队宣布在267万个大气压下实现了转变温度为15摄氏度的超导电性，但由于实验条件极端且难以复现，该研究结果受到质疑，相关论文也被撤回。
2023年3月，迪亚兹团队再次宣布在约21摄氏度和10千巴（约相当于1万个大气压）的条件下实现了超导现象。尽管所需压力相比之前有所降低，但仍远高于常压，且该研究仍需进一步验证。
此外，2023年7月，韩国科研团队宣布发现了名为LK-99的材料，声称其在常温常压下具有超导特性。然而，全球多家实验室对该材料的研究结果未能证实其超导性，导致该发现的可信度受到质疑。
尽管室温超导仍处于研究阶段，但科学家们正在持(chí)续探索新的材料和方法，以期在未来实现这一目标。
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参考资料：
[1]https://hoffman.physics.harvard.edu/materials/SCintro.php
[2]https://en.wikipedia.org/wiki/Superconductivity#Classification
[3]https://courses.lumenlearning.com/suny-physics/chapter/34-6-high-temperature-superconductors/
[4]https://mp.weixin.qq.com/s/4E6CMB0yxp3EZ5RNpb2o-A
[5]https://www.iop.cas.cn/xwzx/mtsm/202411/t20241107_7435265.html
作(zuò)者(zhě)：杨(yáng)雨(yǔ)鑫(xīn)
策(cè)划(huà)：张(zhāng)超(chāo)李(li)培(péi)元(yuán) 杨(yáng)柳
审核：付昌义南京工业大学副教授
江苏省科普作家协会科幻专委会主任委员
