超导体是一类在低于其临界温度时电阻突然下降至零的物质，展现出电流无损耗传导的特性。超导体的发现可以追溯到1911年，荷兰物理学家海克·卡末林·昂内斯（Heike Kamerlingh Onnes）在实验中发现，汞的电阻在冷却到液氦温度（约-269°C）时突然降至零。 这一发现标志着超导现象的首次观测，也为后来的超导体研究奠定了基础。昂内斯因其在低温物理领域的开创性工作，包括超导现象的发现，于1913年获得了诺贝尔物理学奖。

图1、海克·卡末林·昂内斯（Heike Kamerlingh Onnes）。

图2、昂尼斯的实验装置与实验笔记，图中红框即荷兰语“金属汞电阻几乎为零”(引自荷兰布尔哈夫博物馆)

图3、元素周期表中的单质超导体，包括常压和加压情况

　　在随后的几十年里，物理学家们对超导现象进行了广泛研究，力图理解其背后的机制。 直到1957年，约翰·巴丁（John Bardeen）、利昂·库珀（Leon Cooper）和约翰·罗伯特·施里弗（John Robert Schrieffer）提出了BCS理论，这是一种微观理论，解释了在传统超导体中电子如何通过晶格振动（声子）相互作用形成配对，从而能在没有电阻的情况下流动。 BCS理论的成功应用标志着对超导现象微观机制理解的重大突破，其创立者也因此获得了1972年的诺贝尔物理学奖。

图4、超导微观理论“BCS 理论”

　　1986年，卡尔·穆勒（K. Alex Müller）和乔治·贝多诺夫（J. Georg Bednorz）发现了一种新型的高温超导材料，这种基于铜氧化物的陶瓷材料在相对较高的温度下表现出超导性。 这一发现彻底改变了超导体研究的方向，因为之前人们普遍认为，超导现象只能在接近绝对零度的极低温度下发生。他们因此获得了1987年的诺贝尔物理学奖，标志着高温超导时代的开始。

图5、J. G. Bednorz 和 K. A. Müller

图6、Ba—La—Cu—O体系的电阻率和磁化率

　　高温超导体的发现激发了全球科学家对于寻找新的超导材料和理解超导机制的热情，特别是那些在实际应用中更为实用的高温超导体。到目前为止，尽管高温超导体的机制尚未被完全解明，研究人员已经能够设计出多种类型的高温超导材料，这为超导技术的实际应用提供了广阔的前景。

　　超导体的主要特性包括零电阻和迈斯纳效应（Meissner effect），这两大性质共同构成了超导态的基本物理图像，并为理解超导现象的微观机理以及开发超导技术的应用奠定了基础。 超导体最显著的特性之一是其电阻完全消失，这意味着超导体内部的电流可以无损耗地持续流动，即便外部电源被移除。在正常情况下，材料内的电子流动会遭受晶格结构中原子或杂质的散射，从而产生电阻。 然而，在超导状态下，电子形成库珀对（Cooper pairs）——一种由两个电子组成的配对状态，电子之间通过晶格变形产生的声子相互吸引。这些库珀对形成的宏观量子态允许电子无阻碍地流动，从而消除了电阻。

图7、零电阻特性

　　迈斯纳效应，即超导体将其内部的磁场完全排斥的现象，是超导性的另一基本特性。 这一效应由德国物理学家瓦尔特·迈斯纳（Walther Meissner）和罗伯特·奥克森菲尔德（Robert Ochsenfeld）于1933年发现。迈斯纳效应表明超导不仅仅是零电阻状态，还是一种特殊的磁态。 当物质转变为超导状态时，它会排斥穿过其内部的所有磁通量，即便这种状态是在已经存在磁场的条件下形成的。迈斯纳效应的出现表明超导体中的电流在表面形成闭合的回路，以一种完美的方式抵消了内部的磁场。 这种现象可以通过伦敦兄弟（Fritz和Heinz London）于1935年提出的伦敦方程得到解释，该方程描述了超导体内部电流如何与磁场相互作用。更深入地，迈斯纳效应揭示了超导体具有完美抗磁性，是一种量子态，其内部的磁场完全被排斥

图8、迈斯纳与超导体的完全抗磁性

　　超导体的这两大性质——完全电阻消失和迈斯纳效应——不仅为深入理解量子物理学提供了实验基础，还为多种应用奠定了理论基础，包括磁悬浮列车、粒子加速器中的超导磁体、以及能够提供极高磁场的医学成像技术等。 随着对高温超导体的研究进展，超导技术的应用范围预计将进一步扩大，对能源传输、量子计算以及各种高科技领域产生深远影响。 尽管超导体的微观机理尚未在所有情况下被完全理解，特别是对于高温超导体，但库珀对理论和迈斯纳效应提供了强大的理论框架，以支持未来的科学探索和技术创新。

图9、超导磁悬浮列车、核磁共振成像仪、超导磁体

　基于其物理特性和微观机制的不同，超导体主要分为两类：传统超导体（Type I）和非传统超导体（Type II）。 传统超导体主要指那些通过BCS理论（由巴丁、库珀和施里弗于1957年提出的理论）可以解释的超导材料，而非传统超导体则包括不能完全通过BCS理论解释的高温超导体和一些特殊材料。 此外，基于超导体对磁场的反应，也可将超导体分为一型超导体和二型超导体。传统超导体，亦称为一型超导体，是最早被发现和研究的超导材料，通常具有较低的临界温度（Tc）。这些材料主要是纯金属或合金，如铅（Pb）、汞（Hg）和铌（Nb）。 在超导状态下，它们展现出完全电阻消失和迈斯纳效应，即完全排斥内部磁场的能力。传统超导体的超导现象可以通过BCS理论来解释，该理论基于电子在晶格中通过声子的相互作用形成库珀对，从而进入无阻碍的超导状态。 非传统超导体或称为二型超导体，包括了高温超导体和一些通过非传统机制（如铜基、铁基和重费米子超导体）实现超导的材料。这些材料的临界温度通常远高于传统超导体，部分高温超导体的临界温度甚至超过液氮的沸点（77K），大大降低了实际应用中的冷却成本。 高温超导体的发现，特别是1986年穆勒和贝多尔茨发现的铜氧化物超导体，开启了超导物理研究的新纪元。

图10、超导体的分类：第I 类超导体和第II 类超导体

　零电阻、迈斯纳效应、陡峭的绝缘-超导转变、单粒子隧穿和约瑟夫森效应构成超导应用的基础。 超导已经成功应用于生活、军事以及科研等多领域并发挥着不可替代的作用。超导的应用分三个方面：第一个是强电应用，利用超导零电阻大电流，包括超导磁体、超导发电、输电和储能；二个是弱电应用，即电子学应用，包括超导数字电路、超导传感器/探测器、超导微波器件等；第三个是迈斯纳效应应用，包括超导磁悬浮列车和热核聚变反应堆等

　在超导的强电应用方面，最直接的应用是使用超导材料制成电缆进行远距离电能传输，但是受限于当前超导线材的降温成本，远距离超导电能传输仍处于试验阶段。目前已经发现的许多高温超导体的超导转变温度超过了液化天然气传输管道的温度(90K)，在天然气管道中铺设高温超导电缆是一个实际可行的方案，相信随着更多更高超导转变温度的发现，超导电缆能成为民生日常产品。 使用超导线圈制成磁线圈是目前竞争最激烈的超导应用领域之一，也是中国卡脖子的项目之一，其应用在医院核磁共振仪和粒子加速器磁线圈等需要强磁场的场合，具有巨大的市场。

　超导的弱电应用，主要使用超导的隧道效应。以约瑟夫森效应为例，是指在两个弱连接超导体组成的约瑟夫森结中存在由超导电子对形成的超导隧穿电流，这是一种宏观量子效应，伴随着磁通量子化等现象。通过约瑟夫森效应，可以在量子尺度精确测量磁通，在精密测量与计量、超导量子计算机等有着广阔的应用。

　超导磁悬浮和一般的磁极互斥的磁悬浮不一样，超导体中的磁通是被钉扎住的。因此超导体会在磁极靠近时形成排斥，在磁极远离时产生吸引，天然具有稳定平衡的效果。假如随着超导转变温度不断提高，超导应用成本不断降低，人类似乎真能实现仙侠电影中“御剑飞行”的出行方式。

　超导的应用前景十分广阔，人类两次工业革命根本上是能源使用传输手段的革命，然而自第二次工业革命后的能源获取，利用和存储方式在原理上没有巨大的改变，化石能源依然是人类生产生活的主要能量来源，电能传输依然是传统金属导电。超导在磁约束、无损耗能量传输、超导量子计算、高精度灵敏探测等方面的应用可能会是引发下一次人类工业蜕变的关键。 然而目前超导的研究还有很大的不足，最大的问题在于人类并没有完全掌控超导，不能按照设想去设计可实用超导体，甚至超导的理论极限都不能预测。这些超导研究的不足激励着我们不断研究，不断前行，期待超导领域能以崭新面貌出现在人类视野中。