105年前的1911年4月8日，当荷兰莱顿大学昂尼斯实验室成员测量金属汞在低温下的电阻时，意外地发现了超导体的零电阻特性——在4.2 K以下，汞的电阻突然下降到零。于是，第一个超导体被宣告发现。1933年，荷兰的迈斯纳和奥森菲尔德，共同发现了超导体另一个极为重要特性——完全抗磁性，也称迈纳斯效应。

1.神奇超导的不凡应用

凡用得上电的地方，都有超导的用武之地。

超导最直接的应用是输电。由于超导体具有零电阻，就意味着电流在超导体内部流动不会发生损耗，也就不会产生焦耳热。而超高压输电会有很大损耗，现今高压交流输电技术仍存在15%左右的损耗，我国每年输电损耗达1000亿度左右。

如果采用超导输电线就可节省相当于数十个发电厂的电力；超导变压器、发电机、电动机、限流器以及储能系统，可实现高效的电网和电机。目前，我国已有多处超导电力试验站。预期在不远的将来，全球超导电力技术的产值将突破1000亿美元。

借助迈斯纳效应原理制造的超导列车和超导船，这些交通工具在悬浮无摩擦状态下运行，大大地提高了速度、降低了噪音，并有效减少了机械磨损；且利用超导悬浮还可制造无磨损轴承，将轴承转速提高到每分钟10万转以上。

利用超导线圈制作的超导磁体具有体积轻小、磁场高、均匀性好、耗能低等优势。基于超导磁体关键技术的核磁共振成像仪，现已在各大医院普及使用。十多年前，一次核磁检测需要上万元，如今只要千余元就可做清晰度更高的测试。

不仅于此，在物理、化学、生物等多方面的科学研究中，超导磁体均为重要工具：欧洲大型强子对撞机9300多个超导磁体，就是发现“上帝粒子”即希格斯粒子必不可缺的大功臣。人工可控热核聚变，又称超导托克马克或人造小太阳，是解决日渐枯竭的石化能源的有效途径之一，其中最关键技术即需要超导磁体提供强磁场，才能将核聚变约束在有限空间以持续稳定地进行。

超导的神奇特性远远不止零电阻和抗磁性这两种宏观电磁效应，它还具有许多复杂有趣的微观量子效应。由于电子实行“一夫一妻”配对制，如果把两个超导体靠近到一起，电子发生量子穿越的过程也是手牵手、一起走。然而每一个超导体都有它独特的集体意识，也就是它们自身的运动格调——相位。牵手穿越过来的电子对在遇到另一群电子对时，会发生“打群架”效应——在电流上出现量子干涉效应。这种超导量子干涉效应对外磁场感应极其敏感，是目前世界上最灵敏的磁测量仪器，仅受到量子力学基本原理的限制。基于超导量子干涉仪制备超导量子比特，是未来量子计算中最重要的量子单元，基于量子力学原理实现的高性能计算，将掀起一场新的信息革命。由于超导材料阻抗性能好，利用超导体替换常规金属做微波器件，具有信噪比高、带边抑制明显、带宽控制灵活等多个优势。也许人们使用的智能手机，其通信基站就用到了超导滤波器，这些高性能微波器件同样在军事设备、卫星通信、航空航天等领域，大有用武之地。

2.超导的发现始于低温物理学发展

●“麦克米兰极限”

1908年，荷兰莱顿大学的昂尼斯等将最后一个气体——氦气成功液化，并获得液氦的沸点为4.2 K；把液氦进一步节流膨胀可获得低至1.5 K的低温环境。1911年昂尼斯实验室成员宣告第一个超导体被发现。此后，物理学家针对各种金属单质进行研究，发现元素周期表中除少量磁性金属和惰性气体等之外，其他常见金属单质中都有超导电性，而一些非金属单质在高压下也能出现超导。通过数十年的研究，科学家尝试了大量的金属合金材料，然而发现它们的超导临界温度都很低，最高临界温度的化合物是Nb3Ge ，为23.2K。

为了理解超导体的神奇特性，许多著名的理论物理学家前赴后继付出了许多努力，然而包括爱因斯坦、玻尔、海森堡、费曼等多位大物理学家在内都失败了。直到1957 年，3位美国科学家巴丁、库伯、施里弗成功突破思维的樊笼，提出了电子配对的新思想，才得以建立常规金属超导理论，简称BCS理论。基于该理论，物理学家曾预言，所有超导体的临界温度将不能超过40 K，这就是所谓“麦克米兰极限”。

然而，实验物理学勇于挑战各种不可能。1986年瑞士苏黎世IBM公司的柏诺兹和缪勒在铜氧化物体系发现了35 K的超导。在中美等国科学家的推动下，该记录在5年内不断刷新，不仅轻松突破了40 K的极限，而且达到了常压下135 K、高压下 164 K的惊人新记录。

●新物理理论基础突破迫在眉睫

高于40 K以上的超导体，又被称之为高温超导体，可摆脱液氦等昂贵的低温环境成本，意味着在应用上有极好的前景。高温超导现象在物理上突破了BCS理论，而其中发现的许多更加新奇的量子现象，对整个凝聚态物理的理论基础都提出了严峻挑战，30余年后今天，人们仍未真正理解透彻。

当然，在铜氧化物高温超导体发现之前，人们就在许多材料中发现了特殊的超导电性。例如1973年发现的第一个氧化物超导体Ba1-xKxBiO3，1978年发现的第一个重费米子超导体CeCu2Si2，1979年发现的第一个有机超导体等。在更多的过渡金属氧化物材料、稀土金属化合物、在碱金属或碱土金属掺杂的C60、硼化物和氮化物等同样发现了20 K- 40 K之间的超导电性。可以说，超导，几乎无处不在！许多超导材料中的物理现象大都难以用成熟的BCS理论解释，又统称为非常规超导体。为实现超导的大规模应用和探索新型实用超导体，非常规超导理论势在必行，意味着新的物理理论基础突破迫在眉睫。

尽管铜氧化物超导材料具有很高的临界温度，但该类材料属于氧化物陶瓷，在力学性能上显得脆弱不堪、缺乏柔韧性和延展性，导致长距离输电线和小体积磁体线圈很难制备；在物理上其临界电流密度太小，容易在承载大电流时失去超导电性而迅速发热；其混合态表现出复杂多变的物性，对于实际应用带来许多不必要的困扰。寻找新型高温超导体，是同时在应用和基础研究上所要寻找的新蹊径和参照。物理学家为此翘首以盼了20余年。

2006年，日本的细野秀雄研究小组在探索新型透明导电材料时，偶然发现LaFePO存在4 K左右的超导电性，随后他们于2008年2月23日报道了氟掺杂的LaFeAsO体系中存在26 K的超导电性。在中国科学家努力下，这类材料的超导临界温度很快就突破了40 K，在块体材料中实现了55 K的高温超导电性。新一代高温超导家族——铁基超导就此宣告发现。在随后几年里，来自中、日、德、美、英等国科学家的努力下，一系列新的铁砷化物和铁硒化物等超导体系不断被发现。经过粗略估计铁基超导家族成员数目可能有3000多种，真可谓至今最庞大的超导家族，为超导研究提供了前所未有的广阔空间。由于多年在超导研究中的积累，铁基超导从发现之时到现在，无论在材料探索、物性研究、机理研究和应用研究等多个方面，都得以加速进展。

从“铜器”时代到“铁器”时代，超导研究一直在不断绽放新的活力。如今，几乎每个月都有新的超导材料或超导现象被发现，对于非常规超导的机理的研究也渐渐进入攻坚阶段，超导的产业化、规模化应用也在逐步展开。未来几十年里，超导领域势必为人类科学基础研究和生产生活带来翻天覆地的变化。

3. 中国悄然走在超导应用研究前沿

●半个世纪的积累

上个世纪50年代，在钱三强、陆学善、彭桓武等大力支持下，中国的低温物理学开始发展起来。

1953年，洪朝生等人开始筹建低温物理实验室，自主研制了氮气、氢气和氦气液化系统，在中科院物理研究所开展了中国首批低温物理实验，培养了张其瑞、管惟炎、李林、赵忠贤等一批优秀的低温物理学家。

中国早期的超导研究，主要集中在常规金属超导带材、薄膜、器件等方面，也取得了一些国际领先的工作成果。

1976年，在管惟炎和赵忠贤等倡议下，中国探索高临界温度超导体的工作启动，开始与世界前沿衔接。1986年，瑞士的柏诺兹和缪勒宣称发现第一个铜氧化物超导体系La-Ba-Cu-O，中国科学家随即进行了一系列实验，迅速重复他们的结果，并开始思考探索新的氧化物超导材料。1987年2月16日，美国科学家朱经武、吴茂坤等宣布，发现了转变温度为90 K以上的氧化物超导体，但并未公布成分。几乎同时，2月19日，中科院物理所的赵忠贤、陈立泉等人宣布了他们的独立研究结果——发现电阻转变在100 K起始、磁转变在93 K的体超导现象，并于2月24日公布成分为Y-Ba-Cu-O体系，后发现与朱经武小组找到的材料是同一系列。此后，中国科技大学、化学所、冶金所、金属所、中国科技大学研究生院、上海硅酸盐所、长春应用化学所、合肥等离子体物理所、固体物理所、电子学所等中科院多家单位都成功制备并研究了这类铜氧化物超导材料。

90 K以上超导电性的发现，不仅超越了40 K的“麦克米兰极限”，而且还意味着超导临界温度突破77 K以上的液氮温区，相对廉价和储量丰富的液氮将极大地降低超导应用成本。由此铜氧化物高温超导材料具有的巨大科学价值和应用前景，吸引了众多科学家的目光。“液氮温区氧化物超导体的发现”研究，为此获得1989年度国家自然科学奖一等奖，激励了一大批科学工作者投入到超导研究之中。如今在凝聚态物理领域，绝大多数40岁以上的中年科研人员都经过高温超导的历练，是推动我国科研走向世界前沿的中坚力量。

●“国家队”的攻坚优势

经过多年的积累，中国的超导研究在人才、技术、设备等多方面已初具规模，孕育了集体攻坚的能力。2008年，日本科学家在LaFeAsO体系发现25 K超导电性之后，中国科学家敏锐注意到其重要性，并在第一时间合成了这类样品，分别从实验和理论上确认了它属于非常规超导体。在随后不足3个月内，利用高温高压合成技术和稀土元素替换方法，该类材料的临界温度很快就突破40 K，并达到了55 K的块材超导记录。铁基超导成为继铜氧化物之后第二大高温超导家族，在极短的时间内吸引了全世界凝聚态物理学家的目光。在已发现的10余种铁基超导体系中，中国科学家独立发现了其中4种。以铁硒基超导材料探索为例，我国不断有惊喜涌现：2010年，中科院物理所和浙江大学的团队发现KxFe2-ySe2体系存在30 K以上的超导电性；2012年，清华大学和中科院物理所的团队在仅有一个原子层的FeSe薄膜上发现了65 K以上的超导电性，在上海交大、复旦大学、北京大学等国内其他研究团队的推动下，发现这类超导可能来源于界面效应，还有可能出现100 K以上的高温超导电性；2014年，中国科大的团队在插层的(Li1-xFex)OHFe1-ySe发现42 K的超导电性； 2015年，中国科大的团队再次在门电压调控的FeSe单晶材料中实现48 K的超导电性……

中国的铁基超导研究远远不局限于材料方面，在超导机理的实验和理论研究方面，同样取得了一系列令世界瞩目的成果，针对材料的晶体结构、磁结构、电子结构、自旋和电荷动力学等多方面物性有深入系统的研究，对超导的物性参数、配对对称性、微观配对机制等多个关键物理信息有非常详尽的研究。越来越多的铁基超导重要研究成果来自中国，正如美国《科学》杂志一篇题为“新超导体将中国物理学家推到最前沿”报道的一样，“中国如洪流般不断涌现的研究结果标志着在凝聚态物理领域，中国已经成为一个强国。” 2008年铁基超导被多家媒体评为世界十大科学进展之一，中国铁基超导研究团队获得了2009年度“求是杰出科学成就集体奖”，并于2013年再度摘得国家自然科学奖一等奖。

在铁基超导研究的推动下，中国科学家相继发现了更多新型超导材料，中国的超导研究可谓是“遍地开花”。2011年，在碱金属掺杂的少层石墨烯、三苯环和七苯环结构的稠环芳香烃中发现了超导电性，为有机超导家族增添了几个新成员。一些类似铁基超导结构的新型重费米子超导材料被发现。在高压技术的帮助下，近几年在拓扑绝缘体、巨大磁阻材料、拓扑半金属材料中发现新型超导现象，第一个铬基和锰基超导材料也被中国人所发现。一些铁基超导探索路上的“副产品”也带来了惊喜，如基于锰掺杂的锌化物是近年来发现的具有最高转变温度的稀磁半导体。与这些新材料对应的机理研究，同样推动了我国在凝聚态物理的领先地位。

在超导应用方面，中国已悄然走在世界前沿。目前大多数的超导磁体采用的还是金属合金线材或带材，主要是Nb-Ti合金，占据超导磁体市场份额80%以上。美国阿贡实验室的气泡室1.8 T磁体、费米实验室的加速器4.5 T加速磁体、欧洲大型强子对撞机的8.3 T加速磁体、国际受控核聚变堆的6.4 T磁约束体等，都是利用常规金属线圈，其中绝大部分来自中国。利用铁基超导材料，中国科学家较早获得了大电流密度的超导线材和高质量薄膜，进一步的应用正在展开。国产的高温超导滤波器等微波器件已为国防安全、军事通信、民间通信等多个领域服务，譬如2008年汶川大地震灾后的遥感图像获取、即将发射的天宫二号飞船通信实验装置等。2015年7月30日，“中国科学院-阿里巴巴量子计算实验室”在上海正式成立，其主要目的之一就是建成中国第一台基于超导量子干涉技术的超导量子计算机。

4. 室温超导之梦与中国梦

超导研究历史上，至少已有10人次获得诺贝尔物理学奖，足以说明超导研究的重要性。

2016年是高温超导发现30周年，随着铁基超导的助力，人们对高温超导微观机理的建立越来越有信心，对超导材料的探索充满期待，对超导应用前景也充满乐观。

在超导研究中，人们最大的愿望之一，就是发现常压下的室温超导体，即300 K以上的超导电性。这将不依赖低温环境，在多个电磁和电子方面实现大规模的产业应用。事实上，即便在BCS理论框架下，如果能实现高密度轻元素金属，也极有可能获得高温超导体。其中早就有理论预言，高压下的金属氢材料可能是室温超导体，然而多年的尝试并非获得成功，主要是因为高压技术存在许多困难。2014年，中国吉林大学的研究人员从理论上预言H2S-H2化合物在高压下可能实现191 K的高温超导，将突破164 K的临界温度记录。2015年，德国物理学家在实验上成功测量了200万个大气压下（200 GPa）的H3S电阻和磁化率，发现了高达203 K的超导电性，距离300 K的室温超导之梦，已是咫尺之遥。当然，在如此高的压力之下，尽管有一定的物理研究意义，但超导应用几乎无从谈起。人们仍然在努力寻找新的室温超导体，突破将会发生在何处，谁也无法预料。

正如室温超导之梦一样，中国科学家也有自己的超导梦想。梦想有一天，可以乘国产的超导磁悬浮列车，驰骋在长城脚下；梦想有一天，实现超导量子计算机，开启量子计算的革命时代；梦想有一天，终将理解高温超导电性，由中国人建立新一代的凝聚态物理理论体系。这些梦想，或许是中华民族伟大复兴之路中国梦的一部分。

（作者系中国科学院物理研究所副研究员）