Superconductivity

一个高温超导体悬浮在磁铁上方。持续的电流在超导体表面流动，排斥磁铁的磁场（迈斯纳效应（Meissner effect））。该电流有效地形成了一个排斥磁铁的电磁铁。
一个高温超导体悬浮在磁铁上方。持续的电流在超导体表面流动，排斥磁铁的磁场（迈斯纳效应（Meissner effect））。该电流有效地形成了一个排斥磁铁的电磁铁。

超导性（Superconductivity）是在超导体（superconductors）中观察到的一组物理特性：这类材料的电阻消失，且磁场被排出材料之外。与普通金属导体（其电阻随温度降低而逐渐减小，直至接近绝对零度）不同，超导体有一个特征性的临界温度（critical temperature），低于该温度时电阻会突然降为零。[1][2] 通过超导线圈的电流可以无需电源而无限期地持续流动。[3][4][5][6]

超导现象于1911年由荷兰物理学家海克·卡末林·昂内斯（Heike Kamerlingh Onnes）发现。与铁磁性和原子光谱线一样，超导性是只能用量子力学解释的现象。其特征是迈斯纳效应（Meissner effect），即在材料转变为超导态的过程中，其内部磁场被完全抵消。迈斯纳效应的出现表明，超导性不能简单地理解为经典物理中“完美导电性（perfect conductivity）”的理想化。

1986年，发现一些铜酸盐-钙钛矿陶瓷材料（cuprate-perovskite ceramic materials）的临界温度高于35 K。[7] 不久后发现（由朱经武 Ching-Wu Chu），用钇取代镧，即制成YBCO，可将临界温度提高到92 K，这很重要，因为这样就可以使用液氮作为冷却剂。这种高的转变温度在常规超导体中理论上是不可能的，因此这些材料被称为高温超导体（high-temperature superconductors）。廉价易得的冷却剂液氮在77 K沸腾，因此在高于此温度下存在超导性，使得许多在低温下不那么实际的实验和应用变得可行。

历史

超导性历史

超导材料时间线。颜色代表不同类别的材料：{{Unbulleted list|list_style=margin-left: 2em;|{{Legend|#acc294|[[:w:BCS理论|BCS]]（深绿色圆圈）|css=border:2px solid #458234}}|{{Legend|#dbef9C|[[:w:重费米子材料|基于重费米子]]（浅绿色星形）|css=border:2px solid #a6d71c}}|{{Legend|#bddef5|[[:w:铜氧化物超导体|铜酸盐]]（蓝色菱形）|css=border:2px solid #5cb4e8}}|{{Legend|#cfa1d6|[[:w:巴克明斯特富勒烯|巴克明斯特富勒烯]]基（紫色倒三角形）|css=border:2px solid #95329d}}|{{Legend|#f79aaa|[[:w:碳|碳]]-[[:w:同素异形体|同素异形体]]（红色三角形）|css=border:2px solid #ed0e58}}|{{Legend|#fddfa2|[[:w:铁|铁]]-[[:w:磷族元素|磷族元素]]基（橙色方形）|css=border:2px solid #fab42c}}|{{Legend|#b3b3b3ff|[[:w:钌酸锶|钌酸锶]]（灰色五边形）|css=border:2px solid #4d4d4dff}}|{{Legend|#ff55ffff|[[:w:镍|镍]]基（粉色六角星）|css=border:2px solid #800080ff}}}}<i>NdNiO应为Sr<sub>0.2</sub>Nd<sub>0.8</sub>NiO<sub>2</sub><sup id=[8]" loading="lazy"/>
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海克·卡末林·昂内斯（右），超导性的发现者。[[保罗·埃伦费斯特]]、[[亨德里克·洛伦兹]]、[[尼尔斯·玻尔]]站在他左侧。
海克·卡末林·昂内斯（右），超导性的发现者。保罗·埃伦费斯特、亨德里克·洛伦兹、尼尔斯·玻尔站在他左侧。

超导性于1911年4月8日在固态汞中被海克·卡末林·昂内斯发现，他当时正在使用最近生产的液氮作为冷却剂研究汞在低温下的电阻。[9] 在4.2 K的温度下，他观察到电阻突然消失。[10] 在同一实验中，他还观察到了氦在2.2 K的超流体转变，但没有认识到其意义。发现的准确日期和情况仅在一个世纪后，当昂内斯的笔记本被发现时才得以重构。[9] 在随后的几十年里，在其他几种材料中也观察到了超导性。1913年，发现锡和铅分别在3.8 K和7 K时发生超导，1941年发现氮化铌在16 K时发生超导。

人们投入了大量精力来研究超导性如何及为何发生；重要的一步发生在1933年，当时迈斯纳和奥克森菲尔德发现超导体会排斥外加磁场，这一现象后来被称为迈斯纳效应（Meissner effect）。[11] 1935年，弗里茨·伦敦（Fritz London）和海因茨·伦敦（Heinz London）证明迈斯纳效应是超导电流所携带的电磁自由能最小化的结果。[12]

伦敦本构方程（London constitutive equations）

首次为超导性构想的理论模型是完全经典的：它由伦敦本构方程概括。它由弗里茨·伦敦和海因茨·伦敦兄弟在1935年提出，就在发现磁场被超导体排斥后不久。该理论方程的一个主要成就是它们能够解释迈斯纳效应（Meissner effect），[11]即材料在跨越超导阈值时会指数地排斥所有内部磁场。通过使用伦敦方程，可以得到超导体内部磁场对表面距离的依赖关系。[13]

伦敦提出的超导体的两个本构方程是：

第一个方程源自超导电子的牛顿第二定律。

常规理论（1950年代）

在20世纪50年代，理论凝聚态物理学家通过两个杰出而重要的理论：现象性的金兹堡-朗道理论（Ginzburg–Landau theory, 1950年）和微观的BCS理论（BCS theory, 1957年），对“常规”超导性达成了理解。[14][15]

1950年，朗道和金兹堡设计了超导性的现象性金兹堡-朗道理论（phenomenological Ginzburg–Landau theory）。{{cite journal |author=Ginzburg |first1=V. L. |last2=Landau |first2=L. D. |name-list-style=amp |date=1950 |title=O