图源自Image courtesy Oak Ridge National Laboratory

在科学的世界里，超导材料如同一块神奇的“魔法石”，它有着违背常理的“超能力”，电流通过时零电阻，还能排斥磁场，这些特性使其在众多领域展现出无与伦比的应用潜力，成为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。

一、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完全排斥内部磁场。

左图：Kamerlingh-Onnes 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

1911 年，荷兰科学家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。磁场的排出是由 Meissner 和 Ochsenfeld 于 1933 年发现的。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，此现象后来被称为迈斯纳效应。

在接下来的几十年里，理论家们努力寻找超导性的微观理论。1935 年的伦敦理论（the London theory）和 1950 年的金茨伯格-朗道理论（Ginzburg–Landau theory）取得了重大进展。但直到 1957 年，也就是超导性最初实验发现整整 46 年后，Bardeen、Cooper 和 Schrieffer 才提出了重要的超导现象微观理论，被广为接受，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的越多，也就是电阻越大。

图源自https://www.youtube.com/watch?

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吸引力，使两个电子聚集在一起形成库珀对（Cooper pair）。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，原本是两个费米子的电子就会具有玻色子的特质，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的穿过，也就是超导现象的发生。

库珀对（Cooper pair）

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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。

二、超导材料的 “冷热” 家族

元素周期表，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 30 K 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。

汞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。

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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 （30 K）。次年，随着 YBa2Cu3O7-x（90K）的发现，液氮温度障碍 （77 K） 被打破。77K 以上的超导体节省电能的经济潜力是巨大的，因为这是液氮的沸点。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。但如果仅需把温度与降到77 K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。

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。

图源自电影《阿凡达（Avatar）》

在科幻电影《阿凡达》里，潘多拉星球上的神奇室温超导矿石 “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。

从科学理论的角度畅想，一旦常温超导成为现实，那将引发一场足以颠覆人类社会的科技革命。

在能源领域，超导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题，为人工智能、密码学、药物研发等众多领域带来飞跃式发展。