超导材料与超导理论发展概述

材料在低于某一温度时的电阻将无限趋近于零，这就是超导现象，这一温度被称为超导转变温度（临界温度Tc）。19世纪末期，人们已经知道导体的电阻会随着温度降低而逐渐减少，但接近绝对零度时会发生什么，却众说纷纭。有人认为电子会“冻住”而无法自由移动，因此电阻将升高；有人认为温度降低到一定程度时导体会保留一个固定的剩余电阻；也有人认为导体的电阻在接近绝对零度时会降到零。

超导现象的发现正是随着低温物理学的发展而取得的重要成果。20世纪初，获得低温的主要手段是液化气体。1908年，荷兰物理学家卡末林·昂内斯（Kamerlingh Onnes）的团队首次液化了氦气，以4.2 K刷新了人造低温的新纪录，为开展极低温实验提供了可能。1911年4月8日，昂内斯在实验中发现到达4.2 K 时，汞的电阻率突然降到了零，他在论文中将这一现象命名为“超导”，并因此获得1913年的诺贝尔物理学奖。1933年，德国工程物理学家瓦尔特·迈斯纳发现超导体具有完全抗磁性，所有的磁力线均无法穿过超导体，这一现象随后被命名为迈斯纳现象,并与零电阻效应共同作为检验超导体的标准。

超导现象为20世纪的物理学开辟了一个崭新的研究方向，自发现以来一直是物理学界的热门研究领域。在超导材料研究方面，人们又陆续发现原来大部分金属都存在超导现象，一些材料在常压和低温下即可超导，另一些则需要在高压和低温下才有超导电性。在元素周期表中，除了一些磁性金属、碱金属、部分磁性稀土元素、惰性气体和重元素等尚未观测到超导电性外，其他常见金属甚至非金属元素都可以实现超导。(https://www.daowen.com)

在超导理论研究方面，自迈斯纳现象发现之后人们开始了对超导体的唯象理论认识。1934年，哥特（Gorter）和卡西米尔（Casimir）提出了超导“二流体模型”。1935年，德国物理学家伦敦兄弟（Fritz London，Heinz London）二人提出了两个描述超导电流和电磁场关系的方程。1950年，德国物理学家弗勒里希（H.Frölich）揭示了电子与晶格振动之间的相互作用是导致超导电性的原因，迈出了发展超导微观理论的关键性一步。1957年，由美国物理学家J·巴丁（J.Bardeen）、L·N·库珀（L.N.Cooper）和施里弗J·R·（J.R.Schrieffer）成功地解决了超导电的机制问题，建立了第一个超导微观理论（即著名的BCS理论）。

BSC理论在解释一些超导体（比如铅）时，出现了较大的偏差。理论物理学家麦克米兰（McMillan）在考虑电子—声子的强耦合作用和材料的实际情况后，提出了麦克米兰公式，根据这一公式，超导转变温度不能超过39 K，即“麦克米兰极限”。20世纪80年代以前，超导转变温度甚至没能突破30 K。

20世纪60年代，人们开始大胆尝试超导技术的应用，如研制超导磁体、超导电机（英国，1969年）、超导磁悬浮列车（日本，1977年）等。然而，超导技术的应用受到转变温度Tc的钳制，难以实现大规模的推广。1973年，美国物理学家发现了超导转变温度为23.2 K的铌三锗，之后13年间超导体临界温度Tc始终未能取得进一步的突破。此外，为安全考虑，几乎所有的实用超导装置都只能在液氦温度（4 K）下工作。制备液氦不仅成本高、价格贵，而且制冷装置复杂、体积庞大、效率低。因此，寻找高临界温度Tc的超导体，探寻超越“麦克米兰极限”的方法就成为下一阶段超导领域的研究重点。