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來源：互聯網

超導是在某些材料在一定溫度和磁場條件下觀察到的一種物理性質，材料內部電阻消失，磁通量場從材料中排出。任何表現出這些特性的材料都是超導體。與普通金屬導體不同，其電阻隨著溫度的降低而逐漸降低，甚至降至接近絕對零度，超導體具有特征臨界溫度，低于該溫度時電阻突然降至零。超導態具有一系列臨界參量，如臨界溫度Tc、臨界磁場Hc、臨界電流密度jc等，必須同時低于三個臨界參量，超導態才能維持住，一旦材料的物理量超越臨界參量，超導態被破壞，變回不超導的正常態，此時恢復為有電阻態，磁通線也可以進入超導體內部。通過超導線環的電流可以在沒有電源的情況下無限期地持續存在。

超導現象是由荷蘭物理學家Heike Kamerlingh Onnes于1911年發現的。超導是一種只能用量子力學來解釋的現象，它的特點是邁斯納效應，該效應于1933年由邁斯納和奧克森菲爾德發現，具體表現為，在超導體過渡到超導狀態期間，超導體把原來存在于體內的磁場排擠出去，超導體內的磁感應強度為零。邁斯納效應表明，超導性不能簡單地理解為經典物理學中完美導電性。

1986年，人們發現一些銅酸鹽鈣鈦礦陶瓷材料的臨界溫度為30-35K；1987年，臨界溫度被提高到90K以上。對于傳統的超導體來說，如此高的轉變溫度在理論上是不可能的，因此這些材料被稱為高溫超導體。2023年Dasenbrock-Gammon N等他們稱團隊在1GPa壓強下，使用镥[lǔ]-氮-氫體系材料實現了21攝氏度的室溫超導。

基本性質

超導體的物理性質因使用材料而異，例如臨界溫度、超導間隙的值、臨界磁場以及破壞超導性的臨界電流密度。另一方面，有一類屬性獨立于底層材料，即邁斯納效應，磁通量或永久電流的量化，這些參數是零電阻狀態是重要參數。超導性是一種熱力學相，因此具有某些區別性質，這些特性在很大程度上與微觀細節無關。

零電直流電阻

超導體能夠在兩端電壓為零的情況下保持電流，這種特性在超導電磁鐵（例如MRI機器中的電磁鐵）中得到了利用。實驗表明，超導線圈中的電流可以持續多年而不會發生任何可測量的退化。實驗證據表明，該超導電磁鐵目前的壽命至少為10萬年。對持續電流壽命的理論估計可能超過宇宙的估計壽命，具體取決于導線幾何形狀和溫度。

在正常導體中，電流可以可視化為穿過重離子晶格的電子流體。電子不斷與晶格中的離子碰撞，在每次碰撞過程中，電流攜帶的一些能量被晶格吸收并轉化為熱量，這本質上是晶格離子的振動動能，從而使電流攜帶的能量不斷耗散，這就是電阻和焦耳熱的現象。而超導體的情況有所不同。在傳統的超導體中，電子流體不能分解成單個電子。相反，它由稱為庫珀對的束縛電子對組成。這種配對是由聲子交換產生的電子之間的吸引力引起的。這種配對之間的作用力非常弱，小的熱振動就會使鍵遭到破壞。根據量子力學進行解釋，這種庫珀對流體中基態和激發態之間存在能量差，其能譜具有能隙，這意味著必須提供最少能量ΔE才能激發流體。因此，如果ΔE大于晶格的熱能，流體就不會被晶格散射。因此，庫珀對流體是一種超流體，這意味著它可以在沒有能量耗散的情況下進行作用。

在一類稱為II型超導體的超導體中，包括所有已知的高溫超導體，當電流與強磁場一起施加時，在略高于標稱超導躍遷的溫度下會出現極低但非零電阻率。這是由于電子超流體中磁渦旋的運動，它耗散了電流攜帶的一些能量。如果電流足夠小，渦流是靜止的，電阻率就會消失。然而，當溫度遠低于標稱超導躍遷的水平時，這些渦旋可以凍結成無序但靜止的相，稱為“渦旋玻璃”。

相變

在超導材料中，當溫度降低到臨界溫度以下時，就會出現超導特性。該臨界溫度的值因材料而異。傳統的超導體通常具有大約20 K到小于1 K的臨界溫度范圍。截至2015年，傳統超導體的最高臨界溫度為H2S的203 K，盡管需要大約90GPa的高壓。導致高臨界溫度的基本物理機制尚不清楚，但顯然與雙電子配對相關。

同樣，在低于臨界溫度的固定溫度下，當施加大于臨界磁場的外部磁場時，超導材料將停止超導。這是因為超導相的約西亞·吉布斯自由能隨磁場二次增加，而正常相的自由能大致獨立于磁場。如果材料在沒有場的情況下超導，則超導相自由能低于正常相的自由能，因此對于磁場的某個有限值（與零磁場下自由能之差的平方根成正比），兩個自由能將相等，并且將發生到正常相的相變。更高的溫度和更強的磁場將導致超導電子的比例較小，因此外部磁場和電流的倫敦穿透深度更長。在相變時，穿透深度變得無限大。

邁斯納效應

當超導體被放置在弱的外部磁場H中，并冷卻到其臨界溫度以下時，磁場會被噴射出來。邁斯納效應不會導致磁場完全噴射，但會導致磁場微量穿透超導體，其穿透距離決定于參數λ，稱為倫敦穿透深度，在材料體積內呈指數衰減。邁斯納效應是超導性的一個決定性特征。對于大多數超導體，倫敦穿透深度約為100納米。

邁斯納效應有時會與超導體中的抗磁性相混淆：根據倫茨定律，當一個不斷變化的磁場施加到導體上時，它會在導體中產生一個電流，從而產生一個相反的磁場。在理想導體中，可以感應出任意大的電流，由此產生的磁場正好抵消了所施加的磁場。

研究歷史

1911年4月8日，Heike Kamerlingh Onnes發現了超導性，他使用最近生產的液態氦作為制冷劑，研究固態汞在低溫下的電阻。在4.2K的溫度下，他觀察到電阻突然消失。在同一實驗中，他還觀察到了氦在2.2 K下的超流體轉變，但沒有認識到其重要性。一個世紀后，當Onnes的筆記本被發現時，才重新確定了發現的確切日期和環境。在隨后的幾十年中，在其他幾種材料中觀察到了超導性。1913年，人們發現鉛在7K時具有超導特性，1941年發現氮化鈮在16K時具有超導特性。

人們付出了巨大的努力來探索超導的工作原理。1933年，Meissner和Ochsenfeld發現超導體驅逐了外加磁場，這一現象被稱為邁斯納效應。1935年，Fritz和Heinz London證明邁斯納效應是超導電流攜帶的電磁自由能最小化的結果。

直到1986年，物理學家一直認為不存在溫度高于30K時的超導性。在那一年，Bednorz和Müller發現了銅氧化物（LBCO）中的超導性，這是一種鑭基銅酸鹽鈣鈦礦材料，其轉變溫度為35 K（1987年諾貝爾物理學獎）。很快發現，用代替鑭（即制造YBCO）將臨界溫度提高到90 K以上。之后，學者們不斷對高溫超導進行研究。2020年，《自然》雜志中一篇論文中Dasenbrock-Gammon N團隊發現了一種室溫超導體（臨界溫度288 K），該超導體由氫、碳和硫在270千兆帕斯卡左右的壓力下制成。然而，2022年，該文章被編輯撤回，因為背景減除程序的有效性受到質疑。所有九位作者都認為，原始數據有力地支持了論文的主要觀點。2023年，同樣是Dasenbrock-Gammon N團隊，宣稱在1GPa壓強下，使用镥-氮-氫體系材料實現了21攝氏度的室溫超導。

應用

發展前景

超導行業被認為是21世紀最具戰略意義的高新技術之一。超導產業潛在市場達上千億。隨著第二代超導帶材研究技術的進一步成熟，其性能價格比也將大幅下降，開展各種大規模超導應用將變為可能，市場需求和產值也將會出現井噴的局面。室溫超導作為物理學家們追求的終極目標，從可控核聚變到量子計算機，室溫超導將極大地促進科技進步，并迎來超導產業的爆發。

正如半導體帶來了資訊時代、光纖帶來了傳訊時代，高溫超導材料將從根本上改變人類的用電方式，給電力、能源、交通以及其它與電磁有關的科技業帶來革命性的發展。