从昂内斯开始，超导物理学的百年探索和突破

超导体是一种在极低温度下具有零电阻和完全抗磁性的物质，它的发现和研究是物理学和材料科学的一个重要领域，也是人类探索自然奥秘和创造未来能源的一个重要方向。

超导现象的发现

超导现象最早是在1911年由荷兰物理学家海克·卡末林·昂内斯发现的。他在用液氦冷却汞时，发现当温度降到4.2K时，汞的电阻突然消失。他把这种现象称为“超导电性”，并把这个温度称为“临界温度”。他因此获得了1913年诺贝尔物理学奖。

后来，人们又发现了其他一些金属或金属合金也具有超导性，如铅、锡、铌等，但它们的临界温度都很低，基本都在20K以下。这些低温超导体需要用液氦来冷却，而液氦是一种稀缺而昂贵的资源，这大大限制了超导体的实际应用。

超导理论的建立

超导现象的发现引起了物理学界的极大兴趣，但是对于它背后的物理机制却一直没有一个满意的解释。直到1957年，美国物理学家约翰·巴丁、利昂·库珀和约翰·罗伯特·席弗提出了著名的BCS理论。

BCS理论认为，在低温下，金属中的电子之间会形成一种特殊的配对状态，称为库珀对。库珀对之间可以相互作用，形成一个相干态，就像一个巨大的波函数。这个波函数可以无阻碍地流动，不受杂质或晶格振动的影响，因此具有零电阻。同时，库珀对也会排斥外部磁场，使得超导体内部没有磁感应强度，这就是完全抗磁性或迈斯纳效应。BCS理论为低温超导提供了一个微观基础，并成功地解释了许多实验现象。巴丁、库珀和席弗因此获得了1972年诺贝尔物理学奖。

高温超导体的出现

BCS理论虽然取得了巨大的成功，但是它也有一些局限性。它只能适用于传统的低温超导体，而不能解释一些非常规的超导体。1986年，瑞士科学家卡尔·穆勒和约格·贝特诺茨在研究一种含有铜氧层的陶瓷材料时，意外地发现了高温超导现象。他们制备了一种镧钡铜氧化物（LaBaCuO），发现它在35K时就表现出超导性，这比之前的最高纪录高出了10K，他们也因此获得了1987年诺贝尔物理学奖。

这一发现引发了一场高温超导的热潮，人们纷纷寻找和制备新的高温超导材料。不久，我国科学家赵忠贤、美籍华人科学家朱经武等人相继发现了钇钡铜氧系（YBCO）的高温超导材料，其临界温度达到了90K以上。这意味着可以用液氮来冷却超导体，而液氮比液氦便宜得多，也容易得多。后来又发现了铋锶钙铜氧系、铊钡钙铜氧系、铁基超导体等多种高温超导材料，其中最高的临界温度达到了138K。

高温超导材料的出现，为超导技术的实用化提供了新的可能性。高温超导材料可以用于制造超导电缆、超导磁体、超导电路、超导传感器等各种设备，具有广泛的应用前景。目前，已经有一些国家和地区在建设或试验使用高温超导电网，以提高电力输送的效率和安全性。高温超导磁体也被用于核磁共振成像、磁悬浮列车、核聚变反应堆等领域。

尽管高温超导材料的发现和应用取得了巨大的进展，但是对于它们背后的物理机制却仍然没有一个统一的理论解释。BCS理论不能适用于高温超导材料，因为它们的库珀对形成机制和相互作用方式与低温超导材料不同。目前，有许多候选理论试图解释高温超导现象，如强关联电子理论、玻色-爱因斯坦凝聚理论、量子临界点理论等，但是都没有得到广泛的认可和验证。

室温超导的可能性

室温超导是指在常压或接近常压的条件下，在室温或更高温度下出现的超导现象。室温超导是物理学中一个梦寐以求的目标，因为它可以大大降低超导技术的成本和难度，为人类社会带来巨大的好处。目前，人们对于实现室温超导有两种主要的思路：

一种是通过改变材料的化学组成和结构来提高其临界温度。这种方法需要对材料进行精细的设计和优化，以找到最佳的超导相。目前已经有一些材料在极高压下实现了室温甚至更高温度的超导现象，如氢化硫、氢化镧、氢化碳等 。但是，这些结果还需要进一步验证和复现，而且极高压的条件也很难在实际应用中实现。

另一种是通过利用新奇的物理效应来创造新型的超导态。这种方法需要对物质进行新颖的操控和调控，以产生非常规的电子态或相互作用。目前已经有一些理论和实验提出了一些可能的方案，如拓扑绝缘体表面上的拓扑超导态、石墨烯层间耦合引起的超导态、强关联电子系统中的奇异金属态等。但是，这些方案还需要克服很多技术和理论上的困难，才能达到室温或更高温度。
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室温超导的展望

如果能够实现常压室温下的超导状态，那么就可以摆脱冷却系统的束缚，使得超导技术更加普及和便利。室温超导可以用于制造更高效率和更低损耗的电力输送系统、更强大和更精确的磁场控制设备、更快速和更安全的量子计算机等各种领域。室温超导也可以为物理学提供一个新的研究平台，揭示更多关于物质性质和相变规律的知识。

室温超导是一种具有革命性和创造性的技术，它可以为人类社会带来巨大的变革和福祉。目前，人们对于实现室温超导仍然面临着很多挑战和困惑，但是也有着很多希望和激情。最近，各地的实验室正在复现韩国的LK-99，我们期待着未来能够见证室温超导的诞生，以及它所带来的奇迹和惊喜。

新型的低温超导材料的发现

除了上述的超导材料，近年来也有一些新型的低温超导材料被发现，它们具有一些非常规的性质和特征，为超导理论和应用提供了新的视角和机遇。

拓扑绝缘体是一种在内部是绝缘体，但在表面或边缘有导电态的物质，它们具有非常强的自旋-轨道耦合效应，可以抵抗外部磁场或杂质的干扰。在拓扑绝缘体中，人们发现了一种新的超导态，称为拓扑超导态，它可以产生一种特殊的准粒子，称为马约拉纳费米子。马约拉纳费米子是一种自身就是自己反粒子的费米子，它具有非阿贝尔的任意子统计性质，可以用于实现拓扑量子计算。

二维材料是一种只有一个原子层厚度的物质，它们具有非常高的强度和灵活性，以及独特的电子和光学性质。在二维材料中，人们发现了一种新的超导机制，称为近藤效应引起的超导性。近藤效应是指在一个金属中掺入少量的磁性杂质时，由于电子和杂质之间的交换作用，在低温下会形成一个局域化的自旋单态，从而增强金属的电阻。但是，在二维材料中，由于空间限制和量子涨落的影响，近藤效应会导致电子之间形成库珀对，并引发超导性。

超重费米子是一种含有稀土或锕系元素的金属化合物，它们具有非常大的有效质量和强关联效应。在超重费米子中，人们发现了一种新的超导相变，称为量子相变，它是由于零温度下系统参数的变化而引起的相变。量子相变可以改变系统的基态性质，并影响其临界行为和相图。在某些超重费米子中，人们观察到了从常规BCS型超导到非常规d波或p波超导的量子相变。

这些新型的低温超导材料不仅展示了丰富多样的物理现象和潜在应用，也为探索超导机理和提高超导性能提供了新的途径和思路。