什么是超導體?
電阻幾乎可以忽略不計的導體稱為超導體。在人們當前的認知條件下，超導只是一種特定條件下的現像，即金屬由室溫開始慢慢冷卻，其電阻率隨之降低。而且溫度越低，電阻率也越低。對于某些導體低于臨界溫度時，其電阻趨于零。此種現像稱謂超導。
在電力工業中，利用超導體技術可以達到減少設備尺寸的作用。超導的研究和開發利用必將對人類產生深遠的影響。

1911年，荷蘭科學家昂內斯(Ones)用液氦冷卻汞，當溫度下降到４.２K時,水銀的電阻完全消失，這種現象稱為超導電性，此溫度稱為臨界溫度。根據臨界溫度的不同，超導材料可以被分為：高溫超導材料和低溫超導材料。但這里所說的「高溫」，其實仍然是遠低于冰點攝氏0℃的，對一般人來說算是極低的溫度。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，超導材料的磁電障礙已被跨越，下一個難關是突破溫度障礙，即尋求高溫超導材料。
1973年，發現超導合金――鈮鍺合金，其臨界超導溫度為23.2K，這一記錄保持了近13年。

　　1986年，設在瑞士蘇黎世的美國IBM公司的研究中心報道了一種氧化物（鑭鋇銅氧化物）具有35K的高溫超導性。此后，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，液氫的“溫度壁壘”（40K）被跨越。

　　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。從1986－1987年的短短一年多的時間里，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。該發現有助于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（通常高于氮氣液化的溫度），有利于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，而對其不同于常規超導體的許多特點及其微觀機制的研究，卻仍處于相當“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“本征”實驗現象。本期Science所報道的結果意味著中子散射領域里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。隨后的實驗證明，這種信號僅在超導體處于超導狀態時才顯著增強并被稱為磁共振模式。這個發現表明電子的自旋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，并對超導機制負責，其作用類似于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并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。但由于Bi2Sr2CaCu2O8＋δ與YBa2Cu3O6＋δ一樣，也具有雙銅氧層結構，關于磁共振模式是雙銅氧層的特殊表征還是“普遍”現象的困惑并未得到徹底解決。

　　理想的候選者應該是典型的高溫超導晶體，結構盡可能簡單，只具有單銅氧層。困難在于，由于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0.1厘米3的量級。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搜集與反復驗證，終于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。

　　關于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。由于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后研制成臨界溫度約為90K的超導材料YBCO（釔鉍銅氧）。

　　1988年初日本研制成臨界溫度達110K的Bi-Sr-Ca-Cu-O超導體。至此，人類終于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。這類超導體由于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后，一陣超導熱席卷了全球。科學家還發現鉈系化合物超導材料的臨界溫度可達125K，汞系化合物超導材料的臨界溫度則高達135K。如果將汞置于高壓條件下，其臨界溫度將能達到難以置信的164K。

　　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時具有超導電性。由于該化合物獨特的晶體結構，它在計算機數據存儲中的應用潛力將是非常巨大的。

　　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制備中。今年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攝氏度時即具有超導電性。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消息的價值，王楠林小組迅速轉向制作摻雜樣品，他們在一周內實現了超導并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攝氏度以上的超導電性。

　　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攝氏度的超導體，突破麥克米蘭極限，證實為非傳統超導。

　　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攝氏度，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攝氏度。

　　為了證實（超導體）電阻為零，科學家將一個鉛制的圓環，放入溫度低于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，當溫度升到高于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。

　　超群的超導磁體

　　超導材料最誘人的應用是發電、輸電和儲能。

　　由于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。

　　超導磁體可用于制作交流超導發電機、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，并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。磁流體發電發電，是利用高溫導電性氣體（等離子體）作導體，并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，用于磁流體發電的高溫導電性氣體還可重復利用。

　　超導輸電線路　超導材料還可以用于制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，目前的銅或鋁導線輸電，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，節省的電能相當于新建數十個大型發電廠。

　　廣闊的超導應用

　　高溫超導材料的用途非常廣闊，大致可分為三類：大電流應用（強電應用）、電子學應用（弱電應用）和抗磁性應用。大電流應用即前述的超導發電、輸電和儲能；電子學應用包括超導計算機、超導天線、超導微波器件等；抗磁性主要應用于磁懸浮列車和熱核聚變反應堆等。

　　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，由于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制作高速超導磁懸浮列車。

　　超導計算機　高速計算機要求集成電路芯片上的元件和連接線密集排列，但密集排列的電路在工作時會發生大量的熱，而散熱是超大規模集成電路面臨的難題。超導計算機中的超大規模集成電路，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制作，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制造晶體管，甚至完全用超導體來制作晶體管。

　　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℃，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等離子體包圍、約束起來，然后慢慢釋放，從而使受控核聚變能源成為21世紀前景廣闊的新能源。

　　科學家新近創造出一種新的物質形態，并預言它將幫助人類做出下一代超導體，以用于發電和提高火車的工作效率等多種用途。

　　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、等離子體和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“自旋”這一量子力學特性上。費密子是像電子一樣的粒子，有半整數自旋（如1／2，3／2，5／2等）；而玻色子是像質子一樣的粒子，有整數自旋（如0，1，2等）。這種自旋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于同一地點；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，兩個半整數自旋組成一個整數自旋，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”采用的技術略有不同，他們將鉀一40原子冷卻后施加磁場，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，然后凝聚成玻色一愛因斯坦凝聚態。

　　超導技術談

　　1911年，荷蘭萊頓大學的卡茂林-昂尼斯意外地發現，將汞冷卻到-268.98°C時，汞的電阻突然消失；后來他又發現許多金屬和合金都具有與上述汞相類似的低溫下失去電阻的特性，由于它的特殊導電性能，卡茂林-昂尼斯稱之為超導態。卡茂林由于他的這一發現獲得了1913年諾貝爾獎。　

　　這一發現引起了世界范圍內的震動。在他之后，人們開始把處于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興強度為零，卻把原來存在于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”。

　　后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，然后把溫度降低，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（OK=-273°C）。86年1月發現鋇鑭銅氧化物超導溫度是30度，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°C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應用。　

　　超導材料和超導技術有著廣闊的應用前景。超導現象中的邁斯納效應使人們可以到用此原理制造超導列車和超導船，由于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。超導列車已于70年代成功地進行了載人可行性試驗，1987年開始，日本國開始試運行，但經常出現失效現象，出現這種現象可能是由于高速行駛產生的顛簸造成的。超導船已于1992年1月27日下水試航，目前尚未進入實用化階段。利用超導材料制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制造大型磁體。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，但由于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采用。隨著技術的發展，新超導材料的不斷涌現，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于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。

　　超導技術及其應用
　　比爾·李

　　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，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。

　　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，下一個難關是突破溫度障礙，即尋求高溫超導材料。

　　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公司的研究中心報道了一種氧化物（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。此后，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）也奇跡般地被突破了。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里，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跡！

　　高溫超導材料的不斷問世，為超導材料從實驗室走向應用鋪平了道路。