高溫超導（High-temperature 超導，縮寫為high-T c 或HTS）是一種物理現象，指一些具有較其他超導物質相對較高的臨界溫度的物質在液態氮的環境下產生的超導現象。但即便稱為高溫超導，“高溫”仍然遠低于環境溫度（室溫），通常指臨界溫度高于液氨溫度(大于 77 K) 的超導體。1986年，高溫超導體由美國國際商業機器公司（IBM）研究人員格奧爾格·貝德諾爾茨（Johannes Georg Bednor） 和卡爾·米勒（K. Alex Müller）發現，雖然臨界溫度約為 35.1 K（?238.1 °C；?396.5 °F），但朱經武對這種新型超導體進行了改進，使之成為第一個高溫超導體，臨界溫度為 93 K（?180.2 °C；?292.3 °F）。 貝德諾爾茨和米勒因“在發現陶瓷材料超導性方面的重要突破”而榮獲1987年諾貝爾物理學獎。大多數高溫超導材料是II型超導體。
高溫超導體的主要優點是它們可以使用液氮進行冷卻，與之前已知的需要昂貴且難以處理的冷卻劑（主要是液氦）的超導體相比。高溫超導材料的第二個優點是它們在比以前的材料更高的磁場中保持超導性。大多數高溫超導體是陶瓷材料，而不是金屬材料。陶瓷超導體有著廣泛的實際應用，但在制備制造方面仍然存在許多問題。
高溫超導體的發現，突破了溫度壁壘，把超導應用的溫度從液氦提高到了液氮溫區，超導電子學也得到了進一步的充實和發展。相關應用有超導電纜、超導微波無源器件，濾波器、諧振器、延遲線、耦合器微波開關等。此外，超導紅外輻射計也開辟了超導電子學在紅外領域的應用。
歷史沿革
超導現象的發現及研究
1911 年，海克·昂內斯（Heike Kamerlingh Onnes）利用液氨將金和鉑冷卻到4.3K以下，發現鉑的電阻為一常數。隨后他又將汞冷卻到 4.2K 以下，測量到其電阻幾乎降為零。在3K時，他發現電阻降到3×10－6以下，這是第一次觀察到的超導電性。后來兩年內，昂內斯又發現錫和鉛也和汞一樣具有類似現象。1913年9月在華盛頓哥倫比亞特區召開的第三屆國際制冷會議上，昂內斯正式提出了“超導態”概念。1933年，邁斯納 (Meissner)和奧克森費爾特(Ochsenfeld)在實驗中發現超導電性的物體在磁場中轉變為超導體后，內部磁場為零，即“邁斯納效應”。
隨后針對超導現象的理論的研究陸續開展，1950年，金茲伯格(VLGinzburg)和列夫·達維多維奇·朗道(L.DLandau)提出了一個基于二級相變的使用序參數描述超導的唯象理論，被稱為G-L 理論：1953 年，皮帕爾德(ABPippard)引入非局域超導電動力學發展了倫敦理論，并提出超導相干長度的概念；1957 年，巴登(Bardeen)、庫珀(Cooper) 和史雷夫(Schrieffer)等人基于同位素效應、超導能隙等重要實驗結果，提出了超導的微觀理論，即著名的BCS理論，從而解決了超導微觀機理問題，但由于BCS 理論是弱耦合理論，對描述強耦合作用的情況有所缺陷，伊里士伯格和麥克米蘭等人又發展了超導的強耦合理論；1957 年，阿布里柯索夫(AAAbrkosov)在超導正常態負界面能情況下，求解 G-L方程，從而預言了第I類超導體及磁通量點陣的存在，戈爾柯夫(L.PGorkov)則證明G-L方程可由微觀理論導出，故也將 G-L理論和阿布里柯索夫及戈爾科夫的理論通稱GLAG理論；1962年，約瑟夫森(BDJosephson)在理論上預言了超導的約瑟夫森效應，即庫柏對的隧道效應。
在實驗方面，1950年，詹姆斯·麥克斯韋 (E.Maxwell)和雷諾(C.AReynolds)發現了超導的同位素效應；1953~1960 年間他們利用各種實驗方法對超導體的研究表明，在電子激發譜中存在能隙；1961年發現磁通量量子化:1967 年觀察到超導處于混合態下的磁通晶格；自1964 年以來對宏觀量子干涉現象也進行了大量的研究。
高溫超導的發現
1986年4月，貝德羅茲(J.GBednorz)和弗里德里希·繆勒(KAMller)發現的Ba-La-銅O系氧化物超導體“可能存在高溫超導電性”。隨后他們發現當溫度降低到35K時其電阻陡降，到13時電阻完全消失，并由此揭開了高溫超導電性研究的新篇章，將超導體的材料從屬范圍從金屬材料擴展到氧化物陶瓷材料。這種氧化物陶瓷材料的臨界溫度打破其前保持了13年之久的金屬化合物超導體23K，Nb3Ge 的臨界溫度記錄，達到了35K，他們也因此獲得了1987年度諾貝爾物理學獎。1987年2月，朱經武等首先通過美國國家科學基金會宣布他們發現了一種臨界溫度超過90K的新的超導體，并強調測量是在液氮中進行的，突破了77K液氮的禁區，也即開創了“液氮溫度超導體”，或稱“高溫超導體”的新時代。同年2月24日，趙忠賢等合成了Y-Ba-銅O超導體，中點轉變溫度為92.8K，在78.5K時電阻降到零，并同時第一次在國際上公布了該超導體的組成元素。
高溫超導研究成果
1987年夏天，米切爾(C.Michel)等報道了臨界溫度7~22K的Bi-Sr-Cu-O系超導體，臨界溫度超過了100K，即不含稀土元素的 Bi-Sr-Ca-Cu-O 氧化物超導體，它有兩個相，分別為85 和110K。1988年1月，日本前田(HMaeda)等宣布發現了超過100K的Bi-Sr-Ca-銅O系超導體。1993年，菩提林(S.NPutilin)和希林(ASchilling)等人發現了T=135K的汞-鈣-銅-氧(Hg-Ba-Ca-Cu-O)氧化物超導體，至今它還保持著常壓下最高的臨界轉變溫度。
2015年，物理學者發現，硫化氫在極度高壓的環境下(至少150GPa，也就是約150萬標準大氣壓)，約于溫度203K （-70?°C）時會發生超導相變。2018年，德國化學家發現十氫化在壓力170GPa，溫度250K（-23℃） 下有超導性。2020年，羅切斯特大學的朗加·迪亞斯（Ranga Dias）團隊合成了含碳硫化氫系統（carbonaceous 硫 氫化物），在267±10GPa的壓力下，最大臨界溫度達到287.7±1.2K（約15℃），使得超導臨界溫度首次達到室溫，但2022年遭遇期刊撤稿。2023年，該團隊宣稱在一種由氫、氮、組成的材料中實現了室溫超導，且壓力相對較低，約10kbar（約大氣壓力的 10000 倍），遠低于在室溫工作的超導通常所需要的數百萬個大氣壓。
2024年8月13日，紐約州立大學布法羅分校的研究團隊公布了一項基于稀土鋇銅氧化物（REBCO）的超高性能超導線材的制備成果，為世界上性能最高的高溫超導線段，同時性價比指標顯著提高。
2025年2月，南方科技大學、粵港澳大灣區量子科學中心與清華大學聯合組成的研究團隊在高溫超導領域取得了一項重大突破，這一發現使鎳基材料成為第三類在常壓下實現超導的材料體系，為解決高溫超導機理的世紀科學難題提供了全新突破口。該成果北京時間2月18日發表于國際頂級學術期刊《自然》上。此次南方科技大學團隊的科研發現，讓鎳基材料在日常壓力環境中，并且在零下233攝氏度以上就能實現。薛其坤院士和陳卓昱副教授帶領的研究團隊研制出一種在極強的氧化環境下能實現在納米尺度上“搭原子積木”的技術，制備出這種常壓下實現超導的鎳氧化物薄膜。據介紹，此次在常壓下獲得的第三類高溫超導材料具有非常重大的創新意義，是高溫超導領域的一個重要突破。
高溫超導理論發展
目前針對高溫超導現象并沒有明確的理論，例如在銅氧化物高溫超導材料電子間存在很強的相互作用，其電子特性已經偏離了常規的金屬恩里科·費米液體規律，例如高的Tc、短的相干長度、強烈的各向異性以及正常態的不尋常特性等。其中具有里程碑意義的是安德森在1987年提出了這些材料的3個重要特征（不能用傳統的BCS理論來解釋），在之后的研究中這些基本特征得到實驗上的證實。與之同步的相關研究者也逐漸建立了多種新的理論來理解高溫超導的種種奇異現象。
1987年，美國物理學家菲利普·安德森（P.W. Anderson）提出共振價帶理論，即VB 理論，從自旋電荷分離的兩類元激發的觀點來研究超導電性。同年提出Hubbard模型和t-J模型，該模型一直是研究鐵磁性材料的主要理論模型。1988年，張等（L.Y.Zhang）發現了贗能隙(Pseudogap)，加納巴蒂·巴斯卡蘭（G.Baskaran）和安德森提出了U(1)規范場理論，（I. Affleck）提出了SU (2)理論。其中，理論上存在著各種各樣對贗能隙的解釋， 根據贗隙與超導電性之間的關系，總的來說可以把 理論解釋歸納為兩大類：第一類理論，認為贗隙相是 超導相的先驅，超導發生在贗能隙的基礎上。第二類理論認為，贗能隙與超導電性之間沒有直接的聯系，贗能隙來自其他某種有序基態或者漲落，比如反鐵磁漲落、電荷密度波等等。
1989年，施里弗（J.R.Schrieffer）提出了自旋袋理論(Spin-bag)，著重從超導電性在高溫氧化物超導體中與其反鐵磁性的相互作用角度探討，其元激發為自旋袋(Spin bag)，它具有固體物理學中空穴的傳統量子數，即電荷+e和自旋1/2，但是存在很強的裝飾效應(Dressing efects)。同年，沃瑪（C.M.Varma）和他的同事們以多種實驗事實為基礎，對高溫銅氧化物超導體提出了一種唯象描寫，稱為邊緣恩里科·費米液體繪景。1990年，大衛·派恩斯（D.Pines）提出了反鐵磁費米液體理論，與安德森理論不同，自旋與電荷不分離，而和正則費米液體一樣。1991年，平島（D.S. Hirashima）提出了d-p模型，兩年后沃爾曼（D.A.Wollman）提出了d-波配對對稱理論(d-wave pairing symmetry)，后來該理論被崔（C.C.Tsuei）和科特利（J.R.Kirtley）的實驗所證明。
進入21世紀，2000年，奧倫斯坦（J. Orenstein）和米利斯（ A.J. Millis）提出了磁共振理論(Magnetic resonance)、2001年，蘭扎拉（A. Lanzara）提出電子—聲子作用 (Electron-lattice interactions)，2003年，拉夫林（R.B.Laughlin）提出了稀薄超導體的概念，意思是說高溫超導材料的超流密度很低,因而具有非常稀薄隴的超導電性。
分類
超導材料根據材料類型，超導體可分為元素超導體、金屬合金或金屬化合物超導體、重費米子超導體、氧化物超導體、有機超導體等，其中根據具體元素也可以分為銅基、鐵基、硼化鎂、碳基、酸鹽超導體等。
鉍（Bi） 系高溫超導材料
鉍高溫超導材料的化學通式為Bi2Sr2Can-1CunO2n+4，n=2，3。也就是說這個家族有兩個成員，即Bi2Sr2CaCuO8和Bi2Sr2Ca2Cu3O10。習慣上稱為鉍2212相和鉍2223相。在鉍2223相中，如果用Pb少量地取代Bi，材料的超導性能會得到改善。鉍2212相的超導轉變溫度為85K，鉍2223相的超導轉變溫度為110K。
Y 系超導材料
第一個被發現的臨界溫度超過77K的高溫超導體就是YBaCuO( YBCO) 超導體。它是一種層狀鈣鈦礦，具有正交對稱性，空間群為Pmmm。c方向的點陣常數約為a、b方向的3倍，其超導電性呈現出明顯的各向異性。電流傳輸主要在超導體內的a-b面內。其相干長度 ξ 較短，a-b 面ξab ( 0) = 1. 2 ～ 1. 6nm，c 方向的相干長度 ξc( 0) = 0. 15 ～ 0. 3nm。而磁場的穿透深度 λ 較大，a-b 面 λab = 140nm，c 方向 λc = 700nm。各向異性比達到了 5 ～ 8 左右。
鉈系超導材料
鉈超導家族是高溫超導體中最大的家族。又可分為兩個分族。第一個分族的分子通式為Tl2Ba2Can-1CunO2n+4，n=1，2，3…。這個家族有三個主要成員，即2201相，2212相和2223相。2201相（Tl2Ba2CuO6）的超導轉變溫度為90K，2212相（Tl2Ba2CaCu2O8）的超導轉變溫度為110K。2223相（Tl2Ba2Ca2Cu3O10）的超導轉變溫度為125K。因這一分族的每個成員的分子式里都含有兩個Tl原子，在晶體結構上對應兩個鉈原子層，所以人們又把這個分族叫做鉈雙層分族。
鉈家族的另一個分族的化學分子通式為Tl(Ba，Sr)2Can-1CunO2n+3，n=1，2，3。這個通式中的(Ba，Sr)表示這個位置可以是Ba也可以是Sr。當這個位置的原子是Sr時，Ca可以被某一種稀土元素（R）部分取代。能參與取代的稀土元素達15種之多。這個家族的主要成員在晶體結構上有三個，即1201相，1212相和1223相。而每個含Sr的成員的Ca又可以被稀土元素取代。所以這個分族有成員幾十個。因這個分族每一個分子中只含一個鉈原子，即在晶格中只有一層鉈原子，所以人們又常把這個分族稱為鉈單層分族。鉈單層分族的1201相、1212相和1223相的超導轉變溫度分別為45K，95K和120K。
稀土系超導材料
稀土213家族的化學通式一般寫為（R，Ba）2CuO4-x，這里R表示某一種稀土元素。至少有十種稀土元素可以用來合成這個家族的超導體。這個化學分子式中含兩個（R，Ba）類原子，一個Cu原子，4個氧原子，所以被稱為214結構。在晶格中，R和Ba的位置是等價的，所以這里把它們看作一類原子。由于一般地講，在晶格中存在著氧原子少缺，所以在分子式中寫成O4-x。這個家族的超導轉變溫度約為36K。
稀土224家族的化學通式為RBa2Cu3O7-x，R同樣表示某個稀土元素。至少有13種稀土元素可以用來合成這個家族的超導體。因為這個家族的分子式中金屬元素的個數分別為1，2和3，所以人們把這三種家族稱為123超導體家族。因為元素的增多，人們習慣上不再把氧原子寫出來表示這個家族。由于這個家族被發現的第一個成員的稀土元素是（Y），所以人們也常把123家族稱為釔家族。
相關理論
高溫超導有兩種具有代表性的理論，即弱耦合理論和層間耦合模型。首先，弱耦合理論表明超導性源于摻雜系統中的反鐵磁自旋漲落。根據這個理論，銅酸鹽高溫超導的配對波函數應該具有 dx2-y2 對稱性。因此，確定配對波函數是否具有 d波對稱性對于測試自旋波動機制至關重要。也就是說，如果高溫超導階參數（配對波函數）不具有d波對稱性，則可以排除與自旋漲落相關的配對機制。 （鐵基超導體也有類似的論證，但不同的材料特性允許不同的配對對稱性。） 其次，存在層間耦合模型，根據該模型，層狀結構由BCS型（s波對稱）超導體組成可以自行增強超導性。通過在每層之間引入額外的隧道相互作用，該模型成功地解釋了階參數的各向異性對稱性以及 高溫超導的出現。因此，為了解決這個懸而未決的問題，進行了大量的實驗，如光電子能譜、核磁共振、比熱測量等。 迄今為止的結果是模棱兩可的，一些報道支持高溫超導的 d 對稱性，而另一些報道支持s對稱。
YBCO中的d波對稱
在高溫超導體中所有實驗證據都表明至少在佳和欠摻雜的空穴型超導體中超導能隙函數中d波配對占據絕對成分。一個證明d波配對的實驗為 崔（C.C.Tsuei）和科特利（J.R.Kirtley）所完成，他們利用分子束外延方法制備了全由高溫超導體 YBCO 薄膜構成的三結環中觀察到半個微通量子的俘獲，直接證實了YBCO中為波配對，即在YBCO超導態為波配對時三結環中才應當顯示自發產生的磁通量。后來，又在其他高溫超導體系如 Ti2Ba2CuO6，Bi2Sr2CaCu2O8中也做了類似的實驗。
應用
高溫超導電性的應用基本上可以分為強電強磁應用和弱電弱磁應用兩大類，在軍事、民用、科研等領域有廣闊的應用前景。在強電領域主要超導變壓器、超導電纜、超導感應加熱器、超導儲能器和超導磁體等，在弱電領域主要是超導濾波器和超導量子干涉儀等。此外，高溫超導體發現以后，超導電子學得到了進一步的充實和發展。超導微波無源器件，如濾波器、諧振器、延遲線、耦合器微波開關等，超導紅外輻射計也開辟了超導電子學在紅外領域的應用。
軍事領域
高溫超導技術在軍事領域的應用也極具潛力， 如艦船中的，美國國防部曾投入數千萬美 元研制一臺36MW的超導電機。和傳統電機相比 其重量由300t減輕至50t，體積縮小 70% ，大大增加 了軍艦的裝載能力和機動性。超導超電磁炮、超導微波炸彈、超導掃雷等也迫切需要第二代高溫超導材料。
民用領域
在民用領域，高溫超導的應用前景十分廣泛，如超導電纜、超導限流器、超導電機、超導變壓器、超導變電站、磁浮列車等，其中磁懸浮列車是利用高溫超導強磁場使列車懸浮起來，大幅度地減少了列車運行過程中列車與鐵軌之間的摩擦，減少了能耗、提高了速度。此外，因為高溫超導材料具有零電阻和電流密度高的特點，所以高溫超導電纜的電流損耗低、截流能力大，傳輸容量比常規電纜高3一5倍。并且超導電纜在結構上采用液氮作為冷卻液，能夠使電纜產生的磁場集中于內部，也不會產生漏油等情況，避免環境污染和產生火災隱患。
參考資料 >
硫化氫創高溫超導新紀錄.中國科學院.2023-12-22
超導材料 研究及應用進展.西安交通大學.2023-12-22
美國研究團隊重磅公布!全球性能最高，高溫超導新突破.新浪網.2025-03-12
請完成下方驗證后繼續操作.百家號.2025-02-18