超導是什麼？超導現象是怎麼發現發展的？

最近韓國室溫超導發現的消息引起了軒然大波，但也有一部分人並不明白超導是什麼？怎麼發展起來的？所以我就簡單介紹下。

超導現象的發現及其發展歷程是物理學史上一部引人入勝的史詩。從初期的實驗發現到理論的完善，再到現代的高溫超導體，每一步都充滿了挑戰和突破。

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超導現象（英語：Superconductivity）是指材料在低於某一溫度時，電阻變爲零的現象，而這一溫度稱爲超導轉變溫度（Tc）超導現象的特徵是零電阻和完全抗磁性。

1911年，海克·卡末林·昂內斯在非常低的溫度進行純金屬（汞、錫、鉛）的電性分析。有些科學家如威廉湯姆森認爲，在絕對零度下，電子流經導體時會完全停止，或者說，金屬的電阻將趨於無限大。其他人，包括卡末林·昂內斯，覺得一個導體的電阻將穩步下降，下降到零。馬希森指出，當溫度降低時，通常會提高金屬的導電率，或換句話說，電阻率通常隨著溫度下降。昂內斯利用液氦將金和鉑冷卻到4.3 K以下，發現鉑的電阻爲一常數。隨後他又將汞冷卻到4.2 K（1K=-272.15℃）以下，測量到其電阻幾乎降爲零，這就是超導現象。

海克·卡末林·昂內斯

1913年，昂內斯又發現錫和鉛也和汞一樣具有超導性。同年，由於對物質在低溫狀態下性質的研究以及液化氦氣，昂內斯被授予諾貝爾物理學獎。

在昂內斯的領導下，萊頓大學物理實驗室成爲世界低溫物理學的研究中心。1923年，昂內斯退休，1926年在萊頓逝世。爲紀念他，萊頓大學物理實驗室在1932年被命名爲“卡末林·昂內斯實驗室”。然而，並非所有物質都能變成超導體，例如銀和銅等良導體並不具備超導性。這使科學家們對超導的機制產生了疑問。

1933年，德國物理學家瓦爾特·邁斯納（馬克斯·普朗克是他的博士導師），發現了超導體周圍的磁場會發生變化，磁力線被趕出超導體內部，這個現象被稱爲邁斯納效應。然而，這種完全抗磁的現象並非所有超導體都具有，有些超導體在一定磁場強度下會表現出磁通量穿透現象，這就是類型 II 超導體。

邁斯納效應中的超導體

1957年，美國物理學家約翰·巴丁、利昂·庫珀（CBS喜劇《生活大爆炸》中的角色謝爾頓·庫珀，其姓氏即取自利昂·庫珀）和約翰·施裏弗提出了BCS理論，它是對超導現象的第一個成功的理論解釋。BCS理論提出，電子在低溫下可以形成一對一對的配對，稱爲庫珀對，這些配對電子可以無阻力地穿過晶格，從而實現超導。這個理論在低溫下對超導體的電子態、能譜、電子密度和臨界溫度都給出了詳細的解釋，使科學家們對超導有了更深入的理解。

1972年，庫珀與他的妻子凱·阿拉德

然而，1986年超導領域發生了一次革命。德國科學家貝約翰內斯·貝德諾爾茨和瑞士科學卡爾·米勒家穿透現象發現了一種陶瓷材料鋇鑭銅氧化物（BaLaCuO或LBCO），這種含銅的材料在33K溫度下仍保持超導性，超過了BCS理論的極限。這個溫度是液氮的沸點，所以被認爲是高溫超導，雖然在我們日常生活中，這仍然是一個極低的溫度。這開啓了高溫超導體的時代，他們因此在1987年獲得了諾貝爾物理學獎。

1987年3月12日中國北京大學成功地用液氮進行超導磁懸浮實驗。

在此後的幾十年中，科學家們對超導的研究並沒有停步。例如，1993年，銅氧化合物超導臨界溫度提高到了134K

2008年，鐵基超導體的發現打開了高溫超導研究的新篇章。

2015年硫化氫被發現在極度高壓的環境下（約150萬標準大氣壓)，約於溫度203K 時會發生超導相變。

2018年，來自麻省理工學院的年中國學家曹原發現了雙層石墨烯在1.1°的微小扭轉角度下可以實現超導。然而，石墨烯本身並不是超導體，曹原的獨特思路是將兩層石墨烯疊加並微調夾角，這使得石墨烯表現出超導性。