超导体

背景

超导体的发现与低温物理学的发展密不可分。在18世纪，基于理想气体状态方程，人们成功将多种气体通过不断压缩最终液化，例如氧气、氮气和二氧化碳等，它们在一个大气压下的沸点分别为90.2K（-182.95℃）、76.59K（-196.56℃）、194.65K（-78.5℃）。然而受到当时低温技术的限制，人们认为存在不能被液化的“永久气体”，如氢气、氦气等3。1873年，荷兰莱顿大学的范德瓦尔斯提出了一个新的气体状态方程，可以更准确地描述氢气和氦气等分子量小的气体4。1898年，英国物理学家杜瓦基于范德瓦尔斯方程的指导成功制得液氢，其在一个大气压下沸点为21K，即-252.15℃。1908年，荷兰莱顿大学低温物理实验室的卡末林·昂内斯教授成功将最后一种“永久气体”——氦气液化，其在一个大气压下沸点为4.2K，即-268.95℃。并通过进一步降低液氦蒸汽压等方法，他们成功获得1.15~4.25K的低温条件5。低温物理研究的突破，为超导体的发现奠定了基础。

在19世纪末20世纪初，对金属的电阻在逼近绝对零度时的具体行为，有不同的说法。一种观点以威廉·汤姆逊为代表，认为随着温度的降低，金属的电阻在达到一极小值后，会由于电子在低温下发生凝聚而变为无限大。一种观点以马西森等人为代表，认为金属电阻主要来自原子热振动和材料内部杂质缺陷两部分干扰，前者随温度下降会不断减弱，而后者即便抵达绝对零度，也会造成一定的电阻，即存在所谓“剩余电阻率”。而杜瓦等人则认为，如果能有不存在杂质或缺陷的完美金属，其电阻应该随温度降低不断降低，并且在逼近绝对零度过程中无限趋于零6。这一切的结果尚待具体实验来验证。

1908年到1911年间，掌握了液氦和低温技术的卡末林·昂尼斯测量了各种金属在低温下的导电行为，他发现室温下电阻率很小的金和铂等确实在低温下会存在“剩余电阻”的行为，即电阻值趋于一个常数7。受到杜瓦等人的启发，卡末林·昂尼斯认为剩余电阻主要来金属内部的杂质和缺陷，高纯的金属在逼近绝对零度时电阻应该可以持续减小。为了验证这种猜想，卡末林·昂尼斯选择了更容易提纯的汞作为实验对象，因为汞的纯度可以达到99.999999％，几乎可以认为是完美金属，而且汞只要冷却到-38.8℃就会凝成固态，极大方便了实验测量。1911年4月8日，荷兰莱顿低温物理实验室的工程师Gerrit Flim、实验员Gilles Holst、Cornelius Dorsman，和实验室主任卡末林·昂尼斯（Heike Kamerlingh Onnes）测量了汞和金在低温下的电阻值，在4.3 K以上的时候，这两个材料的都是一个有限的数值（0.1Ω左右）。随着进一步蒸发液氦制冷到了3 K，下午4点时分，他们再一次测量的汞和金的电阻值，发现汞的电阻几乎测不到了，而金的电阻则仍然存在。卡末林·昂尼斯在笔记本上记录了这一现象，怀疑汞的电阻消失为零8。在随后的数天里，他们不断重复实验结果，确认汞的电阻在4.2 K以下降到了10-5Ω以下，即低于他们仪器的精度。1911年11月，昂尼斯发表了题为“汞的电阻突然迅速消失”的论文，对物理学界报道了这一重大发现，并将该现象命名为“超导”，意指“超级导电”之意 [注：昂尼斯起初命名为supraconduction，后英文表述为superconductivity9。随后他们对金属铅和锡也进行了测量，发现他们各自在6 K和4 K也存在超导现象。发生超导现象时对应的温度又叫做超导临界温度，简称超导温度10。

基本特性

超导体具有两个独立的基本特性：绝对零电阻和完全抗磁性。此外还有磁通量量子化和宏观量子态等物理特性。

绝对零电阻

超导体具有绝对的零电阻，，指在某一温度以下，材料电阻突然消失为零的现象。

原则上，没有任何一个仪器能够测到绝对的零电阻，因为仪器总是存在一定的测量精度。莱顿大学低温物理实验室的工程师Gerrit Flim等设计了一个超导环实验，通过平衡超导环和正常铜线圈里的电流，可以监测环中电流形成的磁场变化，实验持续1年多没有观测到任何变化11。按照仪器的灵敏度推测，超导体的电阻率上限应该小于 10-23 Ω‧cm，之后人们采用更为精密的实验，估算超导体的电阻率小于 10-28 Ω‧cm，这远远比铜的电阻率（大于 10-9 Ω‧cm）要小得多3。假设超导环可以永远保持低温，按此电阻率推算的话，其中电流可能需要数百万年以上才会有所变化，直到上亿年甚至上千亿年才会彻底衰减到零，因此在物理上完全可以认定超导体的电阻为绝对的零。

超导体的绝对零电阻态的存在是有一定条件的。由于超导是一种热力学二级相变，实际上超导体的电阻并不会在某个温度一瞬间突然降为零，而是存在一个超导转变过程，一般可以定义电阻开始下降为Tc,onset，电阻下降到一半为Tc,mid，电阻完全下降为零为Tc,0，因此判断一个超导体的临界温度Tc，需要特别注意其对应的定义，未必就是绝对零电阻态。除了温度之外，超导体的零电阻态也会被外磁场破坏，并且超导体承载的电流密度亦存在上限。部分超导体处于交变电流或交变磁场情况下，由于磁通线可以进入超导体内部并产生相互作用，也会存在交流损耗现象，一般来说，交流频率越高，损耗越大 。交流损耗是超导体实际应用中需要解决的一个重要问题，在宏观上，交流损耗由超导体内部感应电场与感生电流密度不同引起；在微观上，交流损耗由量子化的磁通运动引起。如何降低交流损耗，是提高超导电力设备运行稳定性的关键之一11。

完全抗磁性

超导体的完全抗磁性又称迈斯纳效应，由德国科学家沃尔特·迈斯纳(Walther Meissner)和他的学生罗伯特·奥森菲尔德(Robert Ochsenfeld)于1933年发现12。“抗磁性”指在外加磁场下，磁力线无法完全穿过材料，材料内部的实际磁场小于外界磁场的现象，即抗磁磁化率为负值。“抗磁性”并不特指超导体，诸如热解石墨片、金刚石、水，以及铋、铅、铜等金属都具有一定的抗磁性，但它们的抗磁磁化率都很低。超导体具有“完全抗磁性”，指的是指外部磁场强度低于临界值的情况下，磁力线无法进入超导体，超导材料内部磁感应强度严格等于零，即抗磁磁化率为最大值-1，抗磁体积达到了100%。超导体出现完全抗磁性的本质是材料内部电子形成了宏观量子凝聚态，即导电电子可以看成一个整体的超流态，对外磁场有完全的屏蔽效应。1935年伦敦兄弟（F. London 和 H. London）指出，因为超导体内部磁感应强度为零，对麦克斯韦方程组稍加修改就可以得到新的描述超导电磁特性的方程，后被称之为伦敦方程13。由伦敦方程可知，磁场在进入超导体之后指数衰减，其穿透深度又称为伦敦穿透深度，是描述超导材料的一个重要物理参数2。伦敦穿透深度的存在，意味着在特定条件下（例如足够高温度、足够强磁场以及材料存在缺陷等），磁通线是可以进入到超导体内部的，此时完全抗磁性被破坏，但零电阻态仍然可以保持。

判断一个材料是否属于超导体，必须同时具备零电阻态和完全抗磁性这两个独立的特征。因为从理论上来说，还可以有所谓的“理想导体”实现零电阻态，却不能具备完全抗磁性。超导体和理想导体有着本质的区别，可以从电磁理论出发，推导出如下结论：若先将理想导体冷却至低温，再置于磁场中，撤掉外磁场后，理想导体内部磁场为零；但若先将理想导体置于磁场中，再冷却至低温，理想导体内部磁场则不为零。即理想导体内部磁场是否为零，依赖于降温和加磁场的先后顺序。而对于超导体而言，无论是先降温到超导态再加磁场，还是先加磁场再降温到超导态，超导体内部磁场始终为零，并在撤离磁场之后保持为零。这是完全抗磁性的核心概念，也是超导体区别于理想导体的关键123。

磁通量量子化

超导现象的物理本质是材料内部电子体系的热力学二级相变。基于前苏联物理学家朗道(Lev Davidovich Landau)和栗弗席兹(Evgeny Lifshitz)发展出一般意义上的二级相变唯象理论，可以定义一个在相变点为零的序参量，而系统自由能就是关于序参量的不含奇次项的多项式函数，其中系数是温度的函数15。当系统的某些热力学势二阶导数物理量发生了突变，即发生了二级热力学相变时，对应的序参量会在原先为零的z两侧出现两个稳定的平衡态。1950年左右，金兹堡(Vitaly Lazarevich Ginzburg)和朗道假设超导的序参量平方为超导电子密度，建立了两个方程来描述超导体中磁场和电场的分布，后被称为GL方程14。1952-1957年间，另一位苏联科学家阿布里科索夫(Alexei Alexeyevich Abrikosov)成功解出了强磁场环境下的GL方程，发现超导体在接近临界磁场附近时，磁场实际上可以穿透材料内部，而且是以磁通量子化的形式存在于有序排列的二维磁通涡旋点阵中，并最终被实验观测证实15。

阿布里科索夫还发现，根据界面能是正是负可以把超导体划分成两类：其中第一类超导体具有唯一的临界磁场Hc，而第二类超导体具有两个临界磁场——下临界场Hc1和上临界场Hc2，介于它们之间才会存在量子化的磁通涡旋态3。“磁通量子化”指的是超导体内部磁场分布是以磁通量的最小单元——磁通量子的形式存在，一个磁通量子为h/2e。围绕磁通量子形成了磁通涡旋，其中磁通涡旋芯子附近是已被破坏的超导态，即有电阻的正常态，磁通涡旋边界则仍然被超导电子所包围。所以，在磁通量子涡旋存在的情形下，超导体的完全抗磁性已被破坏，但仍然能实现零电阻态，超导体在Hc1和Hc2之间被称为“混合态”1。在特定温度和磁场条件下，处于混合态下的超导体中磁通涡旋还会发生一系列的蠕动、跳跃、塑性运动、雪崩等复杂的行为，意味着产生一定的能量耗散。超导体中的磁通运动对强电强磁应用造成了巨大的困扰，但对于弱电探测和量子器件的应用又带来了巨大的优势。

宏观量子态

1955-1957年间，美国物理学家约翰·巴丁(John Bardeen)、里昂·库珀(Leon Cooper)和约翰·施隶弗(John Schrieffer)提出了描述常规金属合金超导体的微观理论，后以他们名字首字母命名为BCS理论16。该理论认为，金属中两个自旋相反且动量相反的电子，可以通过交换原子晶格振动的能量量子——声子而产生间接吸引相互作用，这些电子由此配对，称之为库珀电子对。由于库珀电子对中电子得到和失去能量正好抵消，所以整体来看它们运动过程中能量没有损耗，实现了零电阻的超导态。严格说来，BCS理论描述的“电子对”并不是两个电子粘连到了一起，因为实际上库珀电子对的空间尺度在100纳米左右，是金属原子间距的一千倍左右。这些电子对在原子晶格点阵中是相互交织在一起的，由于量子相干效应，这些电子对们会具备相同相位，从而集体凝聚成为具有能隙的低能稳定态——超导态17。因此，超导态属于一种“宏观量子态”效应，即内部导电电子整体可以看成一个宏观量子，这个宏观量子态的尺度是远远大于原子晶格点阵的间距的，所以可以实现无阻碍的电流和完全抗磁的状态。

基于超导体的宏观量子效应，1962年布莱恩·约瑟夫森（Brian D. Josephson）从理论上预言了超导隧道效应，后来被称为“约瑟夫森效应”。由于超导体中的电子态由单一波函数来描述，如果将两块超导体用很薄的绝缘层或半导体层隔开。当绝缘层两边相位不同时，由于量子隧穿效应的存在，即使不加电压也会有超导电流出现，且电流大小与相位差有关，这就是直流超导隧道效应（DC Josephson effect）；而加上交变电压则会产生电磁振荡，其频率和电压成正比，这就是交流超导隧道效应（AC Josephson effect）18。

约瑟夫森效应被预言后的三个月内，就被实验证实。基于约瑟夫森结，可以制备超导量子干涉仪(Superconducting Quantum Interference Device，缩写为SQUID)，对磁场的探测精度达到了10-14 – 10-15 T，是目前最精密的磁性探测装置。约瑟夫森结还是超导量子比特的基本单元，利用超导电子的自旋、电荷、位相等物理性质，基于约瑟夫森结等结构可以构造出超导磁通比特、电荷比特、位相比特等量子比特单元，是超导量子芯片的基础3。

临界参数

超导体具有三个临界参数：临界转变温度Tc、临界磁场强度Hc、临界电流密度Jc。当且仅当超导体同时处于三个临界参数范围之内时，才显示出零电阻和完全抗磁性的超导电性。

（1）临界转变温度Tc：当温度低于临界转变温度Tc时，材料处于超导态；超过临界转变温度Tc，超导体由超导态恢复为有电阻正常状态，即正常态。

（2）临界磁场强度Hc：当外界磁场强度超过临界磁场强度Hc时，超导体由超导态恢复为正常态。临界磁场强度Hc与温度有关，关系式如下：

（3）临界电流密度Jc：当通过超导体的电流密度超过临界电流密度Jc时，超导体由超导态恢复为正常态。临界电流密度Jc与温度、磁场强度均有关，且受到材料特性的影响。

分类

超导体的分类方法有以下几种：

（1）根据材料对于外磁场的响应分为：第一类超导体和第二类超导体。从宏观物理性能上看，第一类超导体只存在单一的临界磁场强度Hc，一旦高于该磁场，零电阻态和完全抗磁性将会同时被破坏；第二类超导体有两个临界磁场：下临界场Hc1和上临界场Hc2，在两个临界磁场之间，允许部分磁场穿透进入材料内部，此时完全抗磁性被破坏，但零电阻仍然可以保持，当进一步增加磁场达到Hc2时，材料被磁场完全覆盖，零电阻也被彻底破坏1。

在已发现的单质金属超导体中，存在许多第一类超导体，其中钒、铌、锝等则属于第二类超导体；大部分合金和化合物超导体都属于第二类超导体，一些铜氧化物高温超导材料属于极端第二类超导体19。

（2）根据理论解释分为：常规超导体（可以用基于电子-声子耦合配对的BCS理论解释）和非常规超导体（不能用传统BCS理论来解释）。目前，非常规超导体的微观机理并不清楚3。

（3）根据临界温度分为：低温超导体和高温超导体。这里低温和高温只是相对而言。早期发现的超导体大部分超导临界温度都在20K以下，在发现Nb3Ge(Tc=23.2 K)之后有人称20 K以上的超导体为“高温超导体”。而后，低温和高温超导体的界限又改为30K，如今一般默认低温和高温超导体的分界线为40K。，这主要是因为根据传统BCS 理论，可以外推出金属合金类的超导体存在一个极限温度，即所谓“麦克米兰极限”（40K）。目前为止，在常压条件下，科学家们发现的所有满足传统BCS理论描述的超导体的临界温度都低于40K，仅有铜氧化合物和铁基超导体可以在常压下突破40K，它们也被统称为“高温超导体”。而在高压下，40K的上限并不存在，例如金属富氢化物，即使是BCS超导体也能达到200K以上3。

（4）根据材料类型：元素超导体（如铅、汞、铝等）、合金超导体（如铌钛合金）、金属间化合物超导体（如MgB2、CrAs等）、氧化物超导体（如钇钡铜氧、镧铁砷氧氟）、有机超导体（如K3C60）和重费米子超导体（如CeCu2Si2、CeCoIn5等）等1。

发展史

20世纪中前期

1911年，荷兰科学家卡末林·昂尼斯用液氦冷却汞，当温度下降到4.2K（﹣268.95℃）时9，汞的电阻完全消失，昂尼斯将这种现象称为超导电性20。昂尼斯因氦气液化和超导的发现而获得1913年诺贝尔奖。

1933年，沃尔特·迈斯纳和他的学生罗伯特·奥森菲尔德发现超导体具有完全抗磁性，后人称之为“迈斯纳效应”13。

卡末林·昂尼斯当时测量金属Pt的电阻数据、发现汞超导的实验记

1930年左右，科学家们发现常压下最高临界温度的单质是金属铌(9 K)，继而在铌的化合物中寻找超导。后来发现氧化铌、碳化铌和氮化铌都是超导体，特别是NbC0.3N0.7的临界温度达到了17.8 K，几乎是单质铌临界温度的两倍3。

1935年 德国人伦敦兄弟提出了一个超导电性的唯象理论，这被称为伦敦方程，它给出了磁场在超导体表面存在“穿透深度”这一重要概念14。

1947年，英国的皮帕德修正了伦敦方程的缺陷，并在此基础上提出了超导序参量空间分布的特征长度概念，称之为“超导关联长度”21。

1950年，苏联科学家金兹堡和朗道基于热力学二级相变理论，建立了超导的唯象方程，称之为金兹堡-朗道方程，简称GL方程16。GL方程成功解释超导热力学相变现象，并给出相变附近内部磁场和电场分布。1952-1957年间，另一位苏联科学家阿布里科索夫成功解出了强磁场下的GL方程，发现超导体内部磁场可以磁通涡旋点阵的形式存在，并根据界面能的正负将超导体划分成两类，即具有一个临界磁场的第一类超导体和具有两个临界磁场的第二类超导体17。

从1954年起，直到1962年，为了证实超导体电阻为零，科学家将一个超导金属圆环置于低温环境中，利用电磁感应使环内激发起感应电流，并监测电流诱导的磁场变化。在数年时间内的电流一直没有衰减，这说明圆环内的电能没有损耗。根据当时仪器测量精度推断，超导体的电阻率上限应该小于10-23 Ω‧cm，之后该上限进一步被推进到小于10-28 Ω‧cm，这远远比铜的电阻率（大于 10-9 Ω‧cm）要小得多，说明超导体电阻是绝对的零。

1954年-1973年，美国贝尔实验室的伯纳德·马蒂亚斯(Bernd Theodor Matthias)等发现一系列具有所谓A15相结构的超导体：Nb3Ge(23.2 K) 、Nb3Ga (20.3 K)、 Nb3Si(19 K) 、 Nb3Sn(18.1 K)、 Nb3Al(18 K) 、 V3Si (17.1 K)、 Ta3Pb(17 K) 、 V3Ga(16.8 K)、 Nb3Ga(14.5 K)、 V3In(13.9 K)等，其中Nb3Ge的超导临界温度23.2 开尔文，创下当时的最高记录22。马蒂亚斯据此提出了实验探索更高临界温度超导材料的六条法则，他将20K以上的超导体就命名为“高温超导体”23。

1957年，美国物理学家巴丁, 库珀与施隶弗三人发表文章，首次用所谓的“库伯电子对相干凝聚”来解释超导电性。这个理论以三人名字的首字母命名，被称为BCS理论。他们认为：在超导态金属中电子以晶格振动为媒介相互吸引而形成电子对，无数电子对相互重叠又常常互换搭配对象形成一个整体，电子对作为一个整体的流动产生了超导电流。由于拆开电子对需要一定能量，因此超导体中基态和激发态之间存在能量差，即能隙。这一重要的理论预言了电子对能隙的存在，成功地解释了超导现象，被科学家界称作“BCS理论”1819。这一理论的提出标志着超导微观理论的正式建立，使超导研究进入了一个新的阶段。

1960年，理论物理学伊利希伯格(G. M. Eliashberg)基于BCS理论的基本框架，充分考虑了电子配对过程的延迟效应和声子强耦合机制，提出了一个复杂的关于超导临界温度的模型24。1965年，威廉•麦克米兰(William L. McMillan)在此基础上进行了简化近似，得到了一个更为直接的超导临界温度经验公式，其中决定性参量就是电子-声子的耦合参数和声子的态密度25。科恩和安德森将麦克米兰的经验公式进行外推，发现满足传统BCS理论的超导体的临界温度存在一个40K左右的上限，后来被称之为“麦克米兰极限”26。麦克米兰极限仅适用于常压下的超导体，目前发现的几乎所有常压下的常规BCS超导体都未能突破该极限。

1962年，剑桥大学研究生布莱恩·约瑟夫森（Brian D. Josephson）从理论上预言了超导隧道效应，后来被称之为约瑟夫森效应。电子能借助量子隧穿效应通过两块超导体之间薄绝缘层，在不加外界电压情况即出现超导电流（直流约瑟夫森效应），或在加交变电压下出现电磁振荡行为（交流约瑟夫森效应）20。实际上，早在1960年贾埃沃就已在铝/氧化铝/铅复合薄膜中观测到了超导隧道电流，不过并没意识到是约瑟夫森效应27。在约瑟夫森做出理论预言后不久，安德森和罗厄耳等在锡/氧化锡/锡薄膜结构的实验中完全证实了约瑟夫森的预言28。这一重要发现为超导体中电子配对现象提供了证据，使对超导现象本质的认识更加深入。如今，约瑟夫森效应已成为微弱电磁信号探测、超导量子比特和其他电子学应用的基础。约瑟夫森和贾埃沃因超导隧道效应的发现一起获得了1973年的诺贝尔物理学奖。

1964年，第一个氧化物超导体SrTiO3(钛酸锶) 被发现，其临界温度为0.35 K，距离BCS微观理论的建立仅7年29。

20世纪70年代

1973年，发现Nb3Ge超导合金被发现，其临界超导温度为23.2K（﹣249.95℃），这一记录保持了近13年30。

1975年，第一个类钙钛矿结构的氧化物超导体BaPb1-xBixO3被发现，临界温度为17 K31。

1975年，第一个重费米子材料CeAl3被发现，它的比热系数达到了1620 mJ/mol·K2，即电子的有效质量是自由电子的1000倍以上32。

1979年，德国科学家弗兰克·斯泰格利希（Frank Steglich）在重费米子材料CeCu2Si2中发现了0.5K的超导电性， CeCu2Si2的电子比热系数约为1100 mJ/mol·K2，是第一个重费米子超导体33。此后，科学家们在UBe13、UPt3、CeIn3、CeCoIn5等材料中发现了类似的重费米子超导现象34。

1979-1980年，丹麦科学家Klaus Bechgaard与法国合作者们在有机盐(TMTSF)2PF6中发现了0.9 K的超导电性，压力为1.2 GPa，这是第一个有机超导体。37 38

20世纪80年代

1986年，瑞士IBM公司的柏诺兹(Johannes Georg Bednorz)和缪勒(Karl Alexander Müller )发现一种成分为钡-镧-铜-氧（Ba-La-Cu-O）的陶瓷性金属氧化物BaxLa5-xCu5O5(3-y) (x=0.75)具有高温超导性，临界温度可达35K（﹣238.15℃），打破了Nb3Ge超导合金的临界温度记录35。由于过渡金属氧化物通常是绝缘体，在其中实现金属导电性并发现超导现象的意义重大，缪勒和柏诺兹因此而荣获了1987年度诺贝尔物理学奖。此后，高温超导的研究迅速发展36。

1986年底，日本科学家内田(Shin-ichi Uchida)等人也成功做出了Ba-La-Cu-O体系材料，并且补上了另一个超导的证据——抗磁磁化率，不过抗磁的体积分数仅有10%左右。日本科学家认为这个材料的主要成分是La1-xBaxCuO3加上少量的(La1-xBax)2CuO4，后者被研究证明是正确的化学式37。

1987年初，中国科学院物理研究所赵忠贤研究团队和美国休斯顿大学各自独立在钡－钇－铜－氧（Ba-Y-Cu-O）体系发现超导电性，把超导临界温度记录从Ba-La-Cu-O体系中的35 K，迅速提升到90 K（﹣185.15℃）以上，打破液氮的“温度壁垒”（77K）3839。Ba-Y-Cu-O材料中超导的主要成分来自于YBa2Cu3O7-δ，又称123型铜氧化物超导材料，由美国贝尔实验室的卡瓦（R.J. Cava）等人确认40。

1987年12月，在铋－锶－钙－铜－氧（Bi-Sr-Ca-Cu-O）体系中发现了110 K（﹣163.15℃）的超导41。

1988年1月，在铊－钡－钙－铜－氧（Tl-Ba-Ca-Cu-O）体系中发现了125 K（﹣148.15℃）的超导42。

20世纪90年代

1991年3月，日本住友电气工业公司展示了世界上第一个超导磁体。

1991年10月，日本原子能研究所和东芝公司共同研制成以铌、锡化合物制作的核聚变堆用超导线圈。该线圈电流密度达到每平方毫米40安培。

1993年1月，在汞－钡－钙－铜－氧（Hg-Ba-Ca-Cu-O）中发现了134 K（﹣139.15℃）的超导43。之后，常压下的超导临界温度记录长期处于停滞状态，也出现过多次“乌龙事件”，号称获得了Tc=155-160 K的Y-Ba-Cu-O等材料，都因数据结果无法重复而被否决。通过对铜氧化物材料施加高压，临界温度还有上升的空间，目前高压下最高临界温度记录是165 K（﹣108.15℃），由朱经武研究团队在汞－钡－钙－铜－氧体系中所创造44。大量铜氧化物超导材料可以在常压下突破40K的麦克米兰极限，它们从而被统称为“高温超导体”，40K也成为划分低温超导体和高温超导体的新界限49。

1996年，欧洲电缆巨头皮雷利电缆公司、美国超导体公司和旧金山的电力研究所共同制成第一条地下高温超导输电电缆，电缆长6000米，由缠绕铋－锶－钙－铜－氧系超导材料的液氮空管制成。

21世纪

2001年一系列硼化物超导体被发现，如La3Ni2B2N3、YNi2B2C、LaPd2B2C等，超导临界温度从12到23 K不等，它们后来被证实都是常规BCS超导体45。另一个具有八面体钙钛矿结构的超导体MgCNi3被发现，Tc约为7 K。人们起初怀疑它是否具有磁有序或者磁涨落，可能属于非常规超导体，最终确认它仍然是常规BCS超导体46。

2001年，日本的秋光纯(Jun Akimitsu)报道了具有简单二元结构的MgB2中存在39K的超导电性47。该超导体是第一个被证实的“多带超导体”，即有多个费米面和能带参与了超导电性的形成。后来研究表明，它仍是一个常规BCS超导体，其临界温度至今未能突破麦克米兰极限。

2001年4月，340米铋系高温超导线在清华大学应用超导研究中心研制成功，并于年末建成第一条铋系高温线材生产线。

2001年5月，北京有色金属研究总院采用自行设计研制的设备，成功地制备出国内最大面积的高质量双面钇钡铜氧超导薄膜，达到国际同类材料的先进水平。

2008年2月，日本的细野秀雄（Hideo Hosono）研究组宣布在F掺杂的LaOFeAs（后写作LaFeAsO）中发现26 K的超导电性48。同年3月份，中国的赵忠贤、陈仙辉、王楠林、闻海虎、许祝安等研究团队通过稀土替换，成功将该结构体系的超导临界温度提升到40 K以上，并创下块体超导55 K的记录49。麦克米兰极限再次被打破，新一类高温超导家族——铁基超导体宣告发现。铁基超导体具有非常庞大的材料家族，中国科学家群体在关于其材料探索、物性研究、微观理论和强电应用等研究居于世界前列50。如2010年发现的AxFe2Se2系列超导体51，2012年发现单层FeSe薄膜的界面超导现象52, 2014年发现新型(Li1-xFex)OHFeSe 超导体53。

2014年，中国科学院物理研究所的程金光、雒建林等人发现第一个Cr基高压超导体CrAs，临界温度为2 K，压力为 8 kbar54。

2015年4月，浙江大学系曹光旱研究组发现第一种常压下的铬基砷化物超导体K2Cr3As3，临界温度为6.1 K55。同年，中国科学院物理研究所的程金光、雒建林等人发现第一个Mn基高压超导体MnP，临界温度为1 K，压力为 8 GPa56。

2015年， 德国的A. P. Drozdov和M. I. Eremets宣布在硫氢化物中发现203 K 超导零电阻现象，但需要施加高压到220 万个大气压57。这个数值突破了铜氧化物材料保持多年的164 K记录，意味着高压下轻元素化合物中存在高温超导。该研究是是理论预言超导电性的重要成功案例，此前几乎无法精确预言新超导材料的结构和临界温度。

2016年，中国科学院电工研究所的马衍伟团队成功研制出全球首根100米量级铁基超导长线。这是铁基超导材料从实验室研究走向产业化进程的关键一步，标志着我国在铁基超导材料技术领域的研发走在了世界最前沿。2018年，中国科学院高能物理研究所和电工研究所合作，基于超导带材短样研制出铁基超导内插螺线管线圈，成功在24T的强磁场下获得较高临界电流，用实验验证了铁基超导材料高场应用的可行性59。2020年，中国科学院强磁场中心在高达30T的强磁场背景下的测试进一步验证了此结果。实验测试表明铁基超导线圈在高场下应用具有其独特的优越性。

2018年，美国的曹原和Pablo Jarillo-Herrero发现双层“魔转角”的石墨烯在门电压调控下可以出现1 K左右的超导电性61。其中和超导相关的物理特性与铜氧化物高温超导非常类似，从而有可能在干净的二维材料中完美模拟高温超导现象。该发现推动了基于二维材料调控的超导电性的研究，超导探索迈入人工设计和原子改造的新时代。

2019年，中国科学院电工研究所王秋良团队采用自主研发的低温超导+高温超导内插磁体技术，研制成功中心磁场高达32.35 T的全超导磁体，打破了2017年美国国家强磁场实验室创造的32 T世界记录。

2019年，德国的A. P. Drozdov和M. I. Eremets等宣布La-H化合物在150万个大气压可以实现215K的超导电性64，美国的M. Somayazulu研究组紧接着宣布LaH10在190 万个大气压下可以出现260 K以上的超导63。这是目前超导临界温度的最高记录，相当于零下13摄氏度。

2019年，美国斯坦福大学的H. Hwang和李丹枫等人在Nd0.8Sr0.2NiO2薄膜样品实现15 K左右的超导电性，第一个镍基超导体宣布被发现65。

2020年12月，美国加州大学圣芭芭拉分校的S. D. Wilson团队宣布在具有笼目结构的AV3Sb5 (A = K, Rb, and Cs)体系发现2.5K左右超导电性66。

2021年1月，由西南交通大学研发的高温超导高速磁悬浮工程样车在成都下线，这是世界上首款采用高温超导技术的1:1磁浮工程样车，其悬浮高度为10-20毫米，每米最大承载能力为3吨，车辆长度为21米。

2022年，中国科学院物理研究所与电工研究所合作在怀柔综合极端条件实验装置建成了26 T全超导高场核磁共振和30T高场量子振荡测试系统，是目前亚洲的用户装置中磁场最高的全超导磁体。

2023年3月，由中国中车自主研制的国内首套高温超导电动悬浮系统在长春中车长客公司完成首次悬浮运行，该系统同样可以实现自悬浮、自导向、自稳定。

2023年4月，由江西联创光电超导应用有限公司研制的世界首台兆瓦级高温超导感应加热装置在中铝东轻公司正式投用，将传统工频感应炉的能效转化率提升一倍。

2023年7月，中山大学物理学院王猛团队宣布在La3Ni2O7单晶样品中发现高压诱导的约80 K超导电性（压力为14 GPa）71，镍基超导体临界温度正式突破了液氮温区72。

研究趋势

元素超导体

汞的超导电性并不是特例，实际上很多金属单质在低温下都可以超导，一部分非金属单质在高压下也可以超导，它们被统称为“元素超导体”。常见的金属超导体有：锡（Sn）Tc=3.7 K，铅（Pb）Tc=7 K，锌（Zn）Tc=0.85 K，铝（Al）Tc=1.2 K，钽（Ta）Tc=4.5 K，铌（Nb）Tc=9 K等。一些金属在常压下难以超导，但在高压下可以超导，如碱土金属钙（Ca）、锶（Sr）、钡（Ba）等，其中钙在216 GPa下Tc=29 K73。许多非金属如硅（Si）、硫（S）、磷（P）、砷（As）、硒（Se）等也可以在高压下实现超导。金属氢是理论预言的室温超导体，但目前尚未能实现。元素周期表中不超导的一些单质包括：活性很低的惰性气