高温超导体

超导体

高温超导体，通常把超导的相变临界温度接近或者超过40K的超导体叫做高温超导体。

简介

高温超导体通常是指在液氮温度（77 K）以上超导的材料。人们在超导体被发现的时候（1911年），就被其奇特的性质（即零电阻，反磁性，和量子隧道效应）所吸引。但在此后长达七十五年的时间内所有已发现的超导体都只是在极低的温度（23 K）下才显示超导，因此它们的应用受到了极大的限制。

发现

1986年柏诺兹和缪勒发现了35K 超导的鑭钡铜氧体系。这一突破性发现导致了更高温度的一系列稀土钡铜氧化物超导体的发现。通过元素替换，1987年初美国吴茂昆（朱经武）等和我国物理所赵忠贤等宣布了90K 钇钡铜氧超导体的发现，第一次实现了液氮温度（77 K）这个温度壁垒的突破。柏诺兹和缪勒也因为他们的开创性工作而荣获了1987年度诺贝尔物理学奖。

这类超导体由于其临界温度在液氮温度（77K）以上，因此通常被称为高温超导体。液氮温度以上钇钡铜氧超导体的发现，使得普通的物理实验室具备了进行超导实验的条件，因此全球掀起了一股探索新型高温超导体的热潮。1987年底，我国留美学者盛正直等首先发现了第一个不含稀土的铊钡铜氧高温超导体。1988 年初日本研制成临界温度达110K的铋锶钙铜氧超导体。1988年2月盛正直等又进一步发现了125K 铊钡钙铜氧超导体。几年以后（1993年）法国科学家发现了 135K 的汞钡钙铜氧超导体。

2023年7月12日，《自然》杂志（Nature）刊登中山大学王猛教授团队主导的科学成果：首次发现液氮温区镍氧化物超导体。这是中国科学家在全球率先发现的全新高温超导体系，是人类目前发现的第二种液氮温区非常规超导材料，是基础研究领域“从0到1”的突破，将有望推动破解高温超导机理，使设计和预测高温超导材料成为可能。

分类

高温超导体包括四大类：90K的稀土系，110K的铋系，125K的铊系，和135K的汞系。它们都含有铜和氧，因此也总称为铜氧基超导体。它们具有类似的层状结晶结构，铜氧层是超导层。高温超导体已经取得了实际应用，开始为人类造福。例如，钇钡铜氧超导体和铋系超导体已制成了高质量的超导电缆。而铊钡钙铜氧超导薄膜制成的装置，早在上世纪末就安装在移动电话的发射塔中，增加容量，减少断线和干扰。

例子

高温超导铜氧化物超导体包括a1.85Ba0.15CuO4, 及YBCO (钇-钡-铜-氧化合物),都是著名的材料突破液氮的“温度壁垒”（77K）。

展望

新的和更高温度超导体的探索工作一直在紧张地进行着。因为高温超导理论还没有很好的建立，探索工作的进展是缓慢的。虽然新超导体和更高温度超导性时有报道，但真正的新突破还没有取得。

为什么许多超导材料都需要在很低的温度下才能具有超导现象？是因为在常温下，导体原子之间存在空隙，电子在原子之间运动时，要穿越这些空隙，对原子产生碰撞，使原子振动发热形成电阻。在极低温度下，导体原子之间几乎没有空隙，电子可以不对原子产生碰撞而自由通过。今后常温超导材料的研究应该选择合适的不同元素混合，让大小不同、形状不同的原子组合在一起，让原子之间没有空隙，使电子能够自由通过，不对原子产生碰撞。常温超导材料研制的难点在于许多材料的原子在常温下都会振动，而且原子之间的空隙比较大。只要混合元素选择得当，常温超导材料很快就能大规模生产。

我们相信，曾在铜氧基高温超导体领域中取得过骄人成就的炎黄子孙，一定会在实现人类室温超导体梦想的征途上作出更为辉煌的贡献。