1911年，荷蘭萊頓大學(xué)的卡末林—昂內(nèi)斯意外地發(fā)現(xiàn)，將汞冷卻到-268.98℃時(shí)，汞的電阻突然消失;后來(lái)他又發(fā)現(xiàn)許多金屬和合金都具有與上述汞相類似的低溫下失去電阻的特性，由于它的特殊導(dǎo)電性能，卡末林—昂內(nèi)斯稱之為超導(dǎo)態(tài)?？钟捎谒倪@一發(fā)現(xiàn)獲得了1913年諾貝爾獎(jiǎng)。

這一發(fā)現(xiàn)引起了世界范圍內(nèi)的震動(dòng)。在他之后，人們開(kāi)始把處于超導(dǎo)狀態(tài)的導(dǎo)體稱之為“超導(dǎo)體”。超導(dǎo)體的直流電阻率在一定的低溫下突然消失，被稱作零電阻效應(yīng)。導(dǎo)體沒(méi)有了電阻，電流流經(jīng)超導(dǎo)體時(shí)就不發(fā)生熱損耗，電流可以毫無(wú)阻力地在導(dǎo)線中形成強(qiáng)大的電流，從而產(chǎn)生超強(qiáng)磁場(chǎng)。

1933年，荷蘭的邁斯納和奧森菲爾德共同發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)體的另一個(gè)極為重要的性質(zhì)，當(dāng)金屬處在超導(dǎo)狀態(tài)時(shí)，這一超導(dǎo)體內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，卻把原來(lái)存在于體內(nèi)的磁場(chǎng)排擠出去。對(duì)單晶錫球進(jìn)行實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：錫球過(guò)渡到超導(dǎo)態(tài)時(shí)，錫球周圍的磁場(chǎng)突然發(fā)生變化，磁力線似乎一下子被排斥到超導(dǎo)體之外去了，人們將這種現(xiàn)象稱之為“邁斯納效應(yīng)”。

后來(lái)人們還做過(guò)這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)：在一個(gè)淺平的錫盤中，放入一個(gè)體積很小但磁性很強(qiáng)的永久磁體，然后把溫度降低，使錫盤出現(xiàn)超導(dǎo)性，這時(shí)可以看到，小磁鐵竟然離開(kāi)錫盤表面，慢慢地飄起，懸浮不動(dòng)。

邁斯納效應(yīng)有著重要的意義，它可以用來(lái)判別物質(zhì)是否具有超導(dǎo)性。

為了使超導(dǎo)材料有實(shí)用性，人們開(kāi)始了探索高溫超導(dǎo)的歷程，從1911年至1986年，超導(dǎo)溫度由水銀的4.2K提高到23.22K(0K=-273.15℃;K開(kāi)爾文溫標(biāo)，起點(diǎn)為絕對(duì)零度)。1986年1月發(fā)現(xiàn)鋇鑭銅氧化物超導(dǎo)溫度是30K，12月30日，又將這一紀(jì)錄刷新為40.2K，1987年1月升至43K，不久又升至46K和53K，2月15日發(fā)現(xiàn)了98K超導(dǎo)體。高溫超導(dǎo)體取得了巨大突破，使超導(dǎo)技術(shù)走向大規(guī)模應(yīng)用。

超導(dǎo)材料和超導(dǎo)技術(shù)有著廣闊的應(yīng)用前景。超導(dǎo)現(xiàn)象中的邁斯納效應(yīng)使人們可以用此原理制造超導(dǎo)列車和超導(dǎo)船，由于這些交通工具將在懸浮無(wú)摩擦狀態(tài)下運(yùn)行，這將大大提高它們的速度和安靜性，并有效減少機(jī)械磨損。利用超導(dǎo)懸浮可制造無(wú)磨損軸承，將軸承轉(zhuǎn)速提高到每分鐘10萬(wàn)轉(zhuǎn)以上。超導(dǎo)列車已于70年代成功地進(jìn)行了載人可行性試驗(yàn)，1987年開(kāi)始，日本國(guó)開(kāi)始試運(yùn)行，但經(jīng)常出現(xiàn)失效現(xiàn)象，出現(xiàn)這種現(xiàn)象可能是由于高速行駛產(chǎn)生的顛簸造成的。超導(dǎo)船已于1992年1月27日下水試航，目前尚未進(jìn)入實(shí)用化階段。利用超導(dǎo)材料制造交通工具在技術(shù)上還存在一定的障礙，但它勢(shì)必會(huì)引發(fā)交通工具革命的一次浪潮。

超導(dǎo)材料的零電阻特性可以用來(lái)輸電和制造大型磁體。超高壓輸電會(huì)有很大的損耗，而利用超導(dǎo)體則可最大限度地降低損耗，但由于臨界溫度較高的超導(dǎo)體還未進(jìn)入實(shí)用階段，從而限制了超導(dǎo)輸電的采用。隨著技術(shù)的發(fā)展，新超導(dǎo)材料的不斷涌現(xiàn)，超導(dǎo)輸電的希望能在不久的將來(lái)得以實(shí)現(xiàn)。

現(xiàn)有的高溫超導(dǎo)體還處于必須用液態(tài)氮來(lái)冷卻的狀態(tài)，但它仍舊被認(rèn)為是20世紀(jì)最偉大的發(fā)現(xiàn)之一。

 超導(dǎo)現(xiàn)象

物體在低溫出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象是因?yàn)樵跍囟群艿偷臅r(shí)候，原子核的運(yùn)動(dòng)被易子氣束縛在很小的范圍內(nèi)，原子與原子形成彈性晶格狀，原子只能在晶格中有微弱的振動(dòng)，內(nèi)層電子在這些晶格之間做振動(dòng)，外層自由電子無(wú)法將能量傳遞給原子核，自由電子與巨大的彈性晶格相碰撞，無(wú)法將自己的能量轉(zhuǎn)變成巨大彈性晶格的內(nèi)能，所以無(wú)能量損失。在磁場(chǎng)中，只有超導(dǎo)體的外部直接與磁場(chǎng)接觸的部分可以被磁化，超導(dǎo)體表現(xiàn)出完全抗磁性。

超流現(xiàn)象

當(dāng)液態(tài)氦從4.2K降至2.2K附近時(shí)，氦原子的運(yùn)動(dòng)速度減小到氦原子在宇宙背景溫度時(shí)的運(yùn)動(dòng)速率以下。由于這時(shí)的氦原子動(dòng)能很小，占有的空間也很小，所以它能從非常小的空隙漂移過(guò)去。由于這時(shí)的氦原子動(dòng)能很小，不會(huì)破壞氦原子與相接觸物體間的分子間力，所以毛細(xì)現(xiàn)象更為明顯，另外，當(dāng)氦原子的溫度低于宇宙背景溫度時(shí)，氦原子周圍易子密度增大，氦原子在小范圍內(nèi)產(chǎn)生排斥力，就象前面講到的萬(wàn)有引力會(huì)出現(xiàn)排斥一樣，并且出現(xiàn)爬膜現(xiàn)象。液氦進(jìn)入超流現(xiàn)象時(shí)，緩慢地旋轉(zhuǎn)容器，超流部分不會(huì)隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，而是相對(duì)于恒星保持靜止，準(zhǔn)確地說(shuō)是相對(duì)宇宙保持靜止，同時(shí)產(chǎn)生大量渦旋線。渦旋線相互排斥，超流體繞著渦旋線的核心轉(zhuǎn)動(dòng)。就像永久磁鐵產(chǎn)生多氣旋磁場(chǎng)一樣，由于進(jìn)入超流狀態(tài)后，氦原子只能在固定的很小范圍內(nèi)活動(dòng)，超流體的原子核與電子之間，電子與電子之間沒(méi)有接觸，沒(méi)有直接的能量交換，而是通過(guò)易子氣與周圍物體接觸，也就是說(shuō)物體是懸浮在易子氣中。周圍物體旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于分子間的微弱作用力，不能拉動(dòng)整個(gè)液態(tài)氦旋轉(zhuǎn)，只能帶動(dòng)電子繞原子核轉(zhuǎn)動(dòng)。許多個(gè)旋轉(zhuǎn)合并在一起，就形成了原子旋渦，產(chǎn)生渦旋線。

超導(dǎo)九十年

1911年 卡末林—昂內(nèi)斯意外地發(fā)現(xiàn)，將汞冷卻到-268.98℃時(shí)，汞的電阻突然消失;后來(lái)他發(fā)現(xiàn)許多金屬和合金都具有與上述汞相類似的低溫下失去電阻的特性

1913年 卡末林—昂內(nèi)斯在諾貝爾領(lǐng)獎(jiǎng)演說(shuō)中指出：低溫下金屬電阻的消失“不是逐漸的，而是突然的”，水銀在4.2K進(jìn)入了一種新?tīng)顟B(tài)，由于它的特殊導(dǎo)電性能，可以稱為超導(dǎo)態(tài)”

1932年 霍爾姆和卡末林—昂內(nèi)斯都在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，隔著極薄一層氧化物的兩塊處于超導(dǎo)狀態(tài)的金屬，沒(méi)有外加電壓時(shí)也有電流流過(guò)

1933年 荷蘭的邁斯納和奧森菲爾德共同發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)體的一個(gè)極為重要的性質(zhì)

1935年 德國(guó)人倫敦兄弟提出了一個(gè)超導(dǎo)電性的電動(dòng)力學(xué)理論

1950年 美籍德國(guó)人弗茹里赫與美國(guó)伊利諾斯大學(xué)的巴丁經(jīng)過(guò)復(fù)雜的研究和推論后，同時(shí)提出：超導(dǎo)電性是電子與晶格振動(dòng)相互作用而產(chǎn)生的。他們都認(rèn)為金屬中的電子在點(diǎn)陣中被正離子所包圍，正離子被電子吸引而影響到正離子振動(dòng)，并吸引其它電子形成了超導(dǎo)電流。接著，美國(guó)伊利諾斯大學(xué)的巴丁、庫(kù)柏和斯里弗提出超導(dǎo)電量子理論，他們認(rèn)為：在超導(dǎo)態(tài)金屬中電子以晶格波為媒介相互吸引而形成電子對(duì)，無(wú)數(shù)電子對(duì)相互重疊又常?；Q搭配對(duì)象形成一個(gè)整體，電子對(duì)作為一個(gè)整體的流動(dòng)產(chǎn)生了超導(dǎo)電流。由于拆開(kāi)電子對(duì)需要一定能量，因此超導(dǎo)體中基態(tài)和激發(fā)態(tài)之間存在能量差，即能隙。這一重要的理論預(yù)言了電子對(duì)能隙的存在，成功地解釋了超導(dǎo)現(xiàn)象，被科學(xué)家界稱作“巴庫(kù)斯理論”。這一理論的提出標(biāo)志著超導(dǎo)理論的正式建立，使超導(dǎo)研究進(jìn)入了一個(gè)新的階段。

1953年 畢派德推廣了倫敦的概念并得到與實(shí)驗(yàn)基本相符的超導(dǎo)穿透深度的數(shù)值

1960-1961年 美籍挪威人賈埃瓦用鋁做成隧道元件進(jìn)行超導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，直接觀測(cè)到了超導(dǎo)能隙，證明了巴庫(kù)斯理論。他在大量實(shí)驗(yàn)中，曾多次測(cè)量到零電壓的超導(dǎo)電流，但未引起他的重視。

1962年 年僅20多歲的劍橋大學(xué)實(shí)驗(yàn)物理研究生約瑟夫遜在著名科學(xué)家安德森指導(dǎo)下研究超導(dǎo)體能隙性質(zhì)，他提出在超導(dǎo)結(jié)中，電子對(duì)可以通過(guò)氧化層形成無(wú)阻的超導(dǎo)電流，這個(gè)現(xiàn)象稱作直流約瑟夫遜效應(yīng)。當(dāng)外加直流電壓為V時(shí)，除直流超導(dǎo)電流之外，還存在交流電流，這個(gè)現(xiàn)象稱作交流約瑟夫遜效應(yīng)。將超導(dǎo)體放在磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)透入氧化層，這時(shí)超導(dǎo)結(jié)的最大超導(dǎo)電流隨外磁場(chǎng)大小作有規(guī)律的變化。約瑟夫遜的這一重要發(fā)現(xiàn)為超導(dǎo)體中電子對(duì)運(yùn)動(dòng)提供了證據(jù)，使對(duì)超導(dǎo)現(xiàn)象本質(zhì)的認(rèn)識(shí)更加深入。約瑟夫森效應(yīng)成為微弱電磁信號(hào)探測(cè)和其他電子學(xué)應(yīng)用的基礎(chǔ)。

70年代 超導(dǎo)列車成功地進(jìn)行了載人可行性試驗(yàn)。超導(dǎo)列車是在車上安裝強(qiáng)大的超導(dǎo)磁體，地上安放一系列金屬環(huán)狀線圈。當(dāng)車輛行進(jìn)時(shí)，車上的磁體在地上的線圈中感應(yīng)起相反的磁極，使兩者的斥力將車子浮出地面。車輛在電機(jī)牽引下無(wú)摩擦地前進(jìn)，時(shí)速可高達(dá)500千米。

1986年1月 在美國(guó)國(guó)際商用機(jī)器公司設(shè)在瑞士蘇黎世實(shí)驗(yàn)室中工作的科學(xué)家柏諾茲和繆勒，首先發(fā)現(xiàn)鋇鑭銅氧化物是高溫超導(dǎo)體，將超導(dǎo)溫度提高到30K;緊接著，日本東京大學(xué)工學(xué)部又將超導(dǎo)溫度提高到37K。

1987年1月初 日本川崎國(guó)立分子研究所將超導(dǎo)溫度提高到43K;不久日本綜合電子研究所又將超導(dǎo)溫度提高到46K和53K。中國(guó)科學(xué)院物理研究所由趙忠賢、陳立泉領(lǐng)導(dǎo)的研究組，獲得了48.6K的鍶鑭銅氧系超導(dǎo)體，并看到這類物質(zhì)有在70K發(fā)生轉(zhuǎn)變的跡象。

1987年2月16日 美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)宣布，朱經(jīng)武與吳茂昆獲得轉(zhuǎn)變溫度為98K的超導(dǎo)體。

1987年2月20日 中國(guó)也宣布發(fā)現(xiàn)100K以上超導(dǎo)體。1987年3月3日，日本宣布發(fā)現(xiàn)123K超導(dǎo)體。

1987年3月12日 中國(guó)北京大學(xué)成功地用液氮進(jìn)行超導(dǎo)磁懸浮實(shí)驗(yàn)。

1987年3月27日 美國(guó)華裔科學(xué)家又發(fā)現(xiàn)在氧化物超導(dǎo)材料中有轉(zhuǎn)變溫度為240K的超導(dǎo)跡象。

1987年12月30 美國(guó)休斯敦大學(xué)宣布，美籍華裔科學(xué)家朱經(jīng)武又將超導(dǎo)溫度提高到40.2K

1987年 日本鐵道綜合技術(shù)研究所的“MLU002”號(hào)磁懸浮實(shí)驗(yàn)車開(kāi)始試運(yùn)行

1991年3月 日本住友電氣工業(yè)公司展示了世界上第一個(gè)超導(dǎo)磁體。

1991年10月 日本原子能研究所和東芝公司共同研制成核聚變堆用的新型超導(dǎo)線圈。該線圈電流密度達(dá)到每平方毫米40安培，為過(guò)去的3倍多，達(dá)到世界最高水準(zhǔn)。該研究所把這個(gè)線圈大型化后提供給國(guó)際熱核聚變堆使用。這個(gè)新型磁體使用的超導(dǎo)材料是鈮和錫的化合物。

1992年1月27日 第一艘由日本船舶和海洋基金會(huì)建造的超導(dǎo)船“大和”1號(hào)在日本神戶下水試航。超導(dǎo)船由船上的超導(dǎo)磁體產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)，船兩側(cè)的正負(fù)電極使水中電流從船的一側(cè)向另一側(cè)流動(dòng)，磁場(chǎng)和電流之間的洛倫茲力驅(qū)動(dòng)船舶高速前進(jìn)。這種高速超導(dǎo)船直到目前尚未進(jìn)入實(shí)用化階段，但實(shí)驗(yàn)證明，這種船舶有可能引發(fā)船舶工業(yè)爆發(fā)一次革命，就像當(dāng)年富爾頓發(fā)明輪船最后取代了帆船那樣。

1992年 一個(gè)以巨型超導(dǎo)磁體為主的超導(dǎo)超級(jí)對(duì)撞機(jī)特大型設(shè)備，于美國(guó)得克薩斯州建成并投入使用，耗資超過(guò)82億美元。

1996年 改進(jìn)高溫超導(dǎo)電線的研究工作取得進(jìn)展，制成了第一條地下輸電電纜。歐洲電纜巨頭皮雷利電纜公司、美國(guó)超導(dǎo)體公司和舊金山的電力研究所的工人，共同把6000米長(zhǎng)的鉍、鍶、鈣、銅和氧制成的線纏繞到一根保持超導(dǎo)溫度的液氮的空管子上。

2001年4月，340米鉍系高溫超導(dǎo)線在清華大學(xué)應(yīng)用超導(dǎo)研究中心研制成功，并于年末建成第一條鉍系高溫線材生產(chǎn)線。

2001年5月，北京有色金屬研究總院采用自行設(shè)計(jì)研制的設(shè)備，成功地制備出國(guó)內(nèi)最大面積的高質(zhì)量雙面釔鋇銅氧超導(dǎo)薄膜，達(dá)到國(guó)際同類材料的先進(jìn)水平

2001年7月，香港科技大學(xué)宣布成功開(kāi)發(fā)出全球最細(xì)的納米超導(dǎo)線。

2009年10月10日,美國(guó)科學(xué)家合成物質(zhì)(Tl4Ba)Ba2Ca2Cu7O13+,將超導(dǎo)溫度提高到254K,距離冰點(diǎn)僅19℃，對(duì)于推廣超導(dǎo)的實(shí)際應(yīng)用具有極大的意義.

目前，我國(guó)超導(dǎo)臨界溫度已提高到零下120℃即153K左右 。

電影超導(dǎo)

著名物理學(xué)家林亞眠教授領(lǐng)導(dǎo)著青年物理學(xué)家貝小知、熊無(wú)忌等人組成了“低溫俱樂(lè)部”，克服經(jīng)費(fèi)不足和不被人理解等重重困難，開(kāi)始向超導(dǎo)課題發(fā)起猛烈進(jìn)攻。與此同時(shí)，世界上幾個(gè)最優(yōu)秀的，裝備、經(jīng)費(fèi)最充足的科學(xué)家群體也正向這一尖端科學(xué)堡壘發(fā)起最后的攻堅(jiān)，展開(kāi)了一場(chǎng)全球范圍的科技競(jìng)賽。中國(guó)科學(xué)家雖然沒(méi)有獲獎(jiǎng)，但他們的拼搏精神和取得的輝煌成就贏得了世界科學(xué)界的承認(rèn)和尊敬。