超導體（英文名：superconductor），又稱為超導材料，指在某一溫度下，電阻為零的導體。在實驗中，若導體電阻的測量值低於10-25Ω，可以認為電阻為零。
超導體不僅具有零電阻的特性，另一個重要特徵是完全抗磁性。
人類最初發現超導體是在1911年，這一年荷蘭科學家海克·卡末林·昂內斯（Heike Kamerlingh Onnes）等人發現，汞在極低的溫度下，其電阻消失，呈超導狀態。此後超導體的研究日趨深入，一方面，多種具有實用潛力的超導材料被發現，另一方面，對超導機理的研究也有一定進展。
目前，超導體已經進行了一系列試驗性套用，並且開展了一定的軍事、商業套用，在通信領域可以作為光子晶體的缺陷材料。
基本介紹
- 中文名：超導體
- 外文名：superconductor
- 發現者：海克·卡末林·昂內斯
- 發現時間：1911年
- 所屬學科：物理學
- 套用領域：電子電氣、材料科學 等
背景,基本特性,完全導電性,完全抗磁性,通量量子化,臨界參數,理論解釋,BCS理論,GL理論,分類,發展史,20世紀中前期,20世紀70年代,20世紀80年代,20世紀90年代,21世紀初,研究趨勢,銅氧超導體,鐵基超導體,硼化鎂超導體,套用,強電套用,弱電套用,抗磁性套用,臨界溫度,理論進展,用途,
背景
超導體的發現與低溫研究密不可分。在18世紀，由於低溫技術的限制，人們認為存在不能被液化的“永久氣體”，如氫氣、氦氣等。1898年，英國物理學家杜瓦製得液氫。1908年，荷蘭萊頓大學萊頓低溫實驗室的卡末林·昂內斯教授成功將最後一種“永久氣體”——氦氣液化，並通過降低液氦蒸汽壓的方法，獲得1.15~4.25K的低溫。低溫研究的突破，為超導體的發現奠定了基礎。
在19世紀末20世紀初，對金屬的電阻在絕對零度附近的變化情況，有不同的說法。一種觀點認為純金屬的電阻應隨溫度的降低而降低，並在絕對零度時消失。另一種觀點，以威廉·湯姆遜（開爾文男爵）為代表，認為隨著溫度的降低，金屬的電阻在達到一極小值後，會由於電子凝聚到金屬原子上而變為無限大。
1911年2月，掌握了液氦和低溫技術的卡末林·昂尼斯發現，在4.3K以下，鉑的電阻保持為一常數，而不是通過一極小值後再增大。因此卡末林·昂尼斯認為純鉑的電阻應在液氦溫度下消失。為了驗證這種猜想，卡末林·昂尼斯選擇了更容易提純的汞作為實驗對象。首先，卡末林·昂尼斯將汞冷卻到零下40℃，使汞凝固成線狀；然後利用液氦將溫度降低至4.2K附近，並在汞線兩端施加電壓；當溫度稍低於4.2K時，汞的電阻突然消失，表現出超導狀態。
基本特性
超導體具有三個基本特性：完全電導性、完全抗磁性、通量量子化。
完全導電性
完全導電性又稱零電阻效應，指溫度降低至某一溫度以下，電阻突然消失的現象。
完全導電性適用於直流電，超導體在處於交變電流或交變磁場的情況下，會出現交流損耗，且頻率越高，損耗越大。交流損耗是超導體實際套用中需要解決的一個重要問題，在巨觀上，交流損耗由超導材料內部產生的感應電場與感生電流密度不同引起；在微觀上，交流損耗由量子化磁通線粘滯運動引起 。交流損耗是表征超導材料性能的一個重要參數，如果交流損耗能夠降低，則可以降低超導裝置的製冷費用，提高運行的穩定性。
完全抗磁性
完全抗磁性又稱邁斯納效應，“抗磁性”指在磁場強度低於臨界值的情況下，磁力線無法穿過超導體，超導體內部磁場為零的現象，“完全”指降低溫度達到超導態、施加磁場兩項操作的順序可以顛倒。完全抗磁性的原因是，超導體表面能夠產生一個無損耗的抗磁超導電流，這一電流產生的磁場，抵消了超導體內部的磁場。
超導體電阻為零的特性為人們所熟知，但超導體並不等同於理想導體。從電磁理論出發，可以推導出如下結論：若先將理想導體冷卻至低溫，再置於磁場中，理想導體內部磁場為零；但若先將理想導體置於磁場中，再冷卻至低溫，理想導體內部磁場不為零。對於超導體而言，降低溫度達到超導態、施加磁場這兩種操作，無論其順序如何，超導體超導體內部磁場始終為零，這是完全抗磁性的核心，也是超導體區別於理想導體的關鍵。
通量量子化
通量量子化又稱約瑟夫森效應，指當兩層超導體之間的絕緣層薄至原子尺寸時，電子對可以穿過絕緣層產生隧道電流的現象，即在超導體（superconductor）—絕緣體（insulator）—超導體（superconductor）結構可以產生超導電流。
約瑟夫森效應分為直流約瑟夫森效應和交流約瑟夫森效應。直流約瑟夫森效應指電子對可以通過絕緣層形成超導電流。交流約瑟夫森效應指當外加直流電壓達到一定程度時，除存在直流超導電流外，還存在交流電流，將超導體放在磁場中，磁場透入絕緣層，超導結的最大超導電流隨外磁場大小作有規律的變化。
約瑟夫森效應
約瑟夫森效應臨界參數
超導體具有三個臨界參數：臨界轉變溫度Tc、臨界磁場強度Hc、臨界電流密度Jc。當超導體同時處於三個臨界條件內時，才顯示出超導性。
（1）臨界轉變溫度Tc：當溫度低於臨界轉變溫度Tc時，材料處於超導態；超過臨界轉變溫度Tc，超導體由超導態恢復為正常狀態。
（2）臨界磁場強度Hc：當外界磁場強度超過臨界磁場強度Hc時，超導體由超導體恢復為正常狀態。臨界磁場強度Hc與溫度有關，關係式如下：
（3）臨界電流密度Jc：當通過超導體的電流密度超過臨界電流密度Jc時，超導體由超導體恢復為正常狀態。臨界電流密度Jc與溫度、磁場強度有關。
理論解釋
為闡明超導體的機理，科學家提出了多種理論，包括：1935年提出的，用於描述超導電流與弱磁場關係的London方程；1950~1953年提出的，用於完善London方程的Pippard理論；1950年提出的，用於描述超導電流與強磁場（接近臨界磁場強度）關係的GL（Ginzburg-Landau）理論；1957年提出的，從微觀機制上解釋第一類超導體的BCS（Bardeen-Cooper-Schrieffer）理論等。其中比較重要的理論有BCS理論、GL理論。
BCS理論
BCS理論是以近自由電子模型為基礎，以弱電子－聲子相互作用為前提建立的理論。理論的提出者是巴丁（J.Bardeen）、庫珀（L.V.Cooper）、施里弗（J.R.Schrieffer）。
BCS理論認為，金屬中自旋和動量相反的電子可以配對形成庫珀對，庫珀對在晶格當中可以無損耗的運動，形成超導電流。對於庫珀對產生的原因，BCS理論做出了如下解釋：電子在晶格中移動時會吸引鄰近格點上的正電荷，導致格點的局部畸變，形成一個局域的高正電荷區。這個局域的高正電荷區會吸引自旋相反的電子，和原來的電子以一定的結合能相結合配對。在很低的溫度下，這個結合能可能高於晶格原子振動的能量，這樣，電子對將不會和晶格發生能量交換，沒有電阻，形成超導電流。
BCS理論很好地從微觀上解釋了第一類超導體存在的原因，理論的提出者巴丁、庫珀、施里弗因此獲得1972年諾貝爾物理學獎。但BCS理論無法解釋第二類超導體存在的原因，尤其是根據BCS理論得出的麥克米蘭極限溫度（超導體的臨界轉變溫度不能高於40K），早已被第二類超導體突破。
GL理論
GL理論的提出是基於以下考慮：當外界磁場強度接近超導體的臨近磁場強度時，超導體的電流不服從線性規律，且超導體的零點振動能不可忽略。
GL理論的最大貢獻在於預見了第二類超導體的存在。從GL理論出發，可以引出表面能κ的概念。當超導體的表面能κ
時，為第一類超導體；當超導體的表面能κ
時，為第二類超導體。
分類
超導體的分類方法有以下幾種：
（1）根據材料對於磁場的回響：第一類超導體和第二類超導體。從巨觀物理性能上看，第一類超導體只存在單一的臨界磁場強度；第二類超導體有兩個臨界磁場強度值，在兩個臨界值之間，材料允許部分磁場穿透材料。從理論上看，如上文“理論解釋”中的GL理論所言，參數κ是劃分兩類超導體的標準。
在已發現的元素超導體中，第一類超導體占大多數，只有釩、鈮、鎝屬於屬於第二類超導體；但很多合金超導體和化合物超導體都屬於第二類超導體。
（2）根據解釋理論：傳統超導體（可以用BCS理論或其推論解釋）和非傳統超導體（不能用BCS理論解釋）。
不同類型的超導體發展史
20世紀中前期
1911年，荷蘭科學家卡末林—昂內斯用液氦冷卻汞，當溫度下降到4.2K（﹣268.95℃）時，汞的電阻完全消失，卡末林將這種現象稱為超導電性。卡末林因此獲得1913年諾貝爾獎。
1933年，邁斯納和奧克森菲爾德兩位科學家發現超導體的完全抗磁性，後人稱之為“邁斯納效應”。
從1954年3月16日始，到1956年9月5日止，為了證實超導體電阻為零，科學家將一個鉛制的圓環，放入溫度低於Tc=7.2K的空間，利用電磁感應使環內激發起感應電流。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，當溫度升到高於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。 
昂尼斯持久電流實驗
昂尼斯持久電流實驗1962年，劍橋大學研究生約瑟夫森在理論上預言，電子能通過兩塊超導體之間薄絕緣層，在不到一年的時間內，安德森和羅厄耳等人從實驗上證實了約瑟夫森的預言。這一重要發現為超導體中電子對運動提供了證據，使對超導現象本質的認識更加深入。約瑟夫森效應成為微弱電磁信號探測和其他電子學套用的基礎。
20世紀70年代
1973年，發現超導合金――鈮鍺合金，其臨界超導溫度為23.2K（﹣249.95℃），這一記錄保持了近13年。
1979年，在日本的試驗鐵路——宮崎線上，超導列車成功地進行了載人可行性試驗，時速達517千米。
20世紀80年代
1980年，丹麥的Bechgaard等人合成出第一個有機超導體(TMTSF)2PF6。
1986年，繆勒和柏諾茲發現一種成分為鋇、鑭、銅、氧的陶瓷性金屬氧化物LaBaCuO4具有高溫超導性，臨界溫度可達35K（﹣240.15℃）。由於陶瓷性金屬氧化物通常是絕緣物質，因此這個發現的意義很大，繆勒和柏諾茲因此而榮獲了1987年度諾貝爾物理學獎。此後，高溫超導的研究迅速發展。
1986年，美國貝爾實驗室研製出臨界超導溫度達40K（﹣235.15℃）的超導材料，打破液氫的“溫度壁壘”（40K）。
1987年底，發現鉈－鋇－鈣－銅－氧系材料的臨界溫度達125K（﹣150.15℃）。從1986－1987年的短短一年多的時間裡，臨界超導溫度提高了近100K。
1988年，日本日立製作所發現，汞系超導材料的臨界溫度達135K，在高壓條件下，其臨界溫度將能達到164K。
20世紀90年代
1991年3月，日本住友電氣工業公司展示了世界上第一個超導磁體。
1991年10月，日本原子能研究所和東芝公司共同研製成以鈮、錫化合物製作的核聚變堆用超導線圈。該線圈電流密度達到每平方毫米40安培，為過去的3倍多。
1992年，一個以巨型超導磁體為主的超導超級對撞機特大型設備，於美國德克薩斯州建成並投入使用，耗資超過82億美元。
1992年1月27日，由日本船舶和海洋基金會建造的，第一艘採用超導磁流體推進器的輪船——“大和”1號在日本神戶下水試航。
超導磁流體推進船
超導磁流體推進船1996年，歐洲電纜巨頭皮雷利電纜公司、美國超導體公司和舊金山的電力研究所共同製成第一條地下高溫超導輸電電纜，電纜長6000米，由纏繞鉍－鍶－鈣－銅－氧系超導材料的液氮空管制成。
1999年，德國普朗克研究所的Bernhard等人發現，釕銅化合物RuSr2GdCu2O8-δ同時具有超導性和鐵磁有序性，其超導臨界溫度為15~40K，鐵磁性轉變溫度為133~136K。由於該化合物同時具有超導性和鐵磁有序性，在計算機數據存儲上有較大套用潛力。
21世紀初
2004年1月29日，美國標準技術研究院和美國科羅拉多大學的科學家組成的聯合研究小組提出一種新的物質形態——費米子凝聚態（fermionic condensate），並預言它將幫助人類做出下一代超導體。
2006年，日本東京工業大學細野秀雄（Hideo Hosono）教授合成以鐵為超導主體的化合物LaFeOP，開創了對鐵基超導體的研究。
2012年9月，德國萊比錫大學發現石墨顆粒能在室溫下表現出超導性。
研究趨勢
銅氧超導體
銅氧超導體是最早發現的高溫超導體，20世紀八十年代繆勒、柏諾茲合成的鋇－鑭－銅－氧系高溫超導體和朱經武、趙忠賢合成的釔－鋇－銅－氧系高溫超導體均屬於此範疇。
銅氧超導體包括90K的稀土系，110K的鉍系，125K的鉈系，135K的汞系超導體。它們都含有銅和氧，因此稱為銅氧超導體。銅氧超導體具有相似的層狀結晶結構，其中銅氧層是超導層。
釔－鋇－銅－氧超導體的結構
釔－鋇－銅－氧超導體的結構目前，對銅氧超導體的研究呈現以下趨勢：首先，銅氧超導體已經較為成熟，如由鉈－鋇－鈣－銅－氧超導薄膜製成的裝置，已套用於行動電話的發射塔，以增加容量，減少斷線和外界干擾。其次，銅氧超導體的基礎研究處在瓶頸階段，轉變溫度一直以來不能突破164K。再次，對銅氧超導體的機理研究有所進展，如2002年，德國、法國和俄羅斯的科學家利用中子散射技術，在單銅氧層Tl2Ba2CuO6+δ中觀察到磁共振，有助於對探明銅氧化物超導體的機理。
鐵基超導體
自從2006年發現鐵基超導體以來，對鐵基超導體日趨深入，比較突出的成果有：2008年，日本科學家細野秀雄發現摻雜F的LaFeOP超導體具有26K的臨界溫度；2008年，中國科學家趙忠賢、陳仙輝、王楠林、聞海虎、方忠發現臨界溫度達43K的SmFeAs1-xFx超導體和臨界溫度達55K的ReFeAs1-xFx超導體，在鐵基超導體的領域首次突破40K的麥克米蘭極限溫度。
鐵基超導體之所以受到關注，原因有兩點：其一，Fe離子是磁性離子，打破了磁性離子不利於超導的觀點，為探索新的超導體提供了一種思路；其二，類似於銅氧超導體，鐵基超導體也存在強的電子與自旋相互作用，對探明高溫超導機理有參考價值。
硼化鎂超導體
2001年1月，日本青山學院大學J.Akimitsu教授等人首次發現MgB2具有超導電性，其臨界溫度約為39K。
雖然MgB2的臨界溫度較低，但與銅氧超導體、鐵基超導體相比，仍有很多優勢，包括：結構簡單、易於製備；原料來源廣泛、成本較低；易於加工。尤其是易於加工的特性，成為MgB2的重要優勢。因為具有高臨界溫度的銅氧超導體本質上屬於陶瓷材料，陶瓷材料硬度大，加工困難，成為制約銅氧超導體發展的一個因素，MgB2超導體可以彌補這一不足。
套用
超導體的套用可分為三類：強電套用、弱電套用和抗磁性套用。強電套用即大電流套用，包括超導發電、輸電和儲能；弱電套用即電子學套用，包括超導計算機、超導天線、超導微波器件等；抗磁性套用主要包括磁懸浮列車和熱核聚變反應堆等。
強電套用
超導發電機：目前，超導發電機有兩種含義。一種含義是將普通發電機的銅繞組換成超導體繞組，以提高電流密度和磁場強度，具有發電容量大、體積小、重量輕、電抗小、效率高的優勢。另一種含義是指超導磁流體發電機，磁流體發電機具有效率高、發電容量大等優點，但傳統磁體在發電過程中會產生很大的損耗，而超導磁體自身損耗小，可以彌補這一不足。
超導輸電：由超導材料製作的超導電線和超導變壓器，可以把電力幾乎無損耗地輸送給用戶。據統計，用銅或鋁導線輸電，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，節省的電能相當於新建數十個大型發電廠。
超導輸電電纜
超導輸電電纜弱電套用
超導計算機：高速計算機要求積體電路晶片上的元件和連線線密集排列，但密集排列的電路在工作時會發生大量的熱，而散熱是超大規模積體電路面臨的難題。超導計算機中的超大規模積體電路，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製作，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製造電晶體，甚至完全用超導體來製作電晶體。
抗磁性套用
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，由於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製作高速超導磁懸浮列車。
磁懸浮列車
磁懸浮列車核聚變反應堆“磁封閉體”：核聚變反應時，內部溫度高達1億～2億攝氏度，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電漿包圍、約束起來，然後慢慢釋放，從而使受控核聚變能源成為21世紀前景廣闊的新能源。
全超導托卡馬克核聚變實驗裝置
全超導托卡馬克核聚變實驗裝置臨界溫度
超導材料臨界溫度
| 材料 | 符號 | Tc(K) | 晶胞中Cu-O平面數目 | 結構 |
|---|---|---|---|---|
YBa2Cu3O7 | 123 | 92 | 2 | |
Bi2Sr2CuO6 | Bi-2201 | 20 | 1 | |
Bi2Sr2CaCu2O8 | Bi-2212 | 85 | 2 | 四方晶系 |
Bi2Sr2Ca2Cu3O6 | Bi-2223 | 110 | 3 | 四方晶系 |
Tl2Ba2CuO6 | Tl-2201 | 80 | 1 | 四方晶系 |
Tl2Ba2CaCu2O8 | Tl-2212 | 108 | 2 | 四方晶系 |
Tl2Ba2Ca2Cu3O10 | Tl-2223 | 125 | 3 | 四方晶系 |
TlBa2Ca3Cu4O11 | Tl-1234 | 122 | 4 | 四方晶系 |
HgBa2CuO4 | Hg-1201 | 94 | 1 | 四方晶系 |
HgBa2CaCu2O6 | Hg-1212 | 128 | 2 | 四方晶系 |
HgBa2Ca2Cu3O8 | Hg-1223 | 134 | 3 | 四方晶系 |
理論進展
美國物理學家約翰·巴丁、利昂·庫珀、約翰·施里弗提出BCS理論，指出電聲耦合的關鍵作用，較圓滿的解釋了低溫超導。高溫超導的理論研究仍在進行中。
2012年9月，德國萊比錫大學的研究人員宣布了一項進展：石墨顆粒能在室溫下表現出超導性。研究人員將石墨粉浸入水中後濾除乾燥，置於磁場中，結果一小部分（大約占0.01%）樣本表現出抗磁性，而抗磁性是超導材料的標誌性特徵之一。 雖然表現出超導性的石墨顆粒很少，但這一發現仍然具有重要意義。迄今為止，超導體只有在溫度低於－70°C下才能夠發揮作用。如果像石墨粉這樣便宜且容易獲得的材料真能在室溫下實現超導，將引發一次新的現代工業革命。
用途
超導磁體可用於製作交流超導發電機、磁流體發電機和超導輸電線路等。目前超導量子干涉儀（SQUID）已經產業化。 另外，作為低溫超導材料的主要代表NbTi合金和Nb3Sn，在商業領域主要套用於醫學領域的MRI（核磁共振成像儀）。作為科學研究領域，已經套用於歐洲的大型項目LHC項目，幫助人類尋求宇宙的起源等科學問題。
