在科幻電影《阿凡達》裡，潘朵拉星球上的神奇室溫超導礦石 “Unobtanium”令人驚歎不已。這種礦石憑藉其超導特性，使得一座座巍峨的 “哈利路亞” 大山能夠輕盈地懸浮在空中，營造出如夢如幻的外星奇景。

在科學的世界裡，超導材料如同一塊神奇的 “魔法石”，它有著違背常理的 “超能力”，電流通過時零電阻，還能排斥磁場，這些特性使其在眾多領域展現出無與倫比的應用潛力，成為科學家們競相研究的熱點，自被發現起就吸引著眾多科學家探尋。

什麼是超導體

超導體是一種具有以下兩種特性的材料：在達到特定溫度和磁場條件下，①電阻消失；②完全排斥內部磁場。

1911年，荷蘭科學家海克·卡末林·昂內斯（Kamerlingh-Onnes）首次發現，在極低溫環境中，溫度降至4.2K，汞的電阻率趨近於零，首次證實了超導現象的存在。

1933年，邁斯納（Meissner）和 奧森菲爾德（Ochsenfeld）發現，在特定的溫度和磁場條件下，超導體能夠實現其內部磁通量的完全排斥，後來這一現象被稱為邁斯納效應。

在接下來的幾十年裡，理論家們努力尋找超導性的微觀理論。1935年的倫敦理論（the London theory）和1950年的金茨伯格-朗道理論（Ginzburg–Landau theory）取得了重大進展。但直到1957年，也就是超導性最初實驗發現整整46年後，巴丁Bardeen、庫珀（Cooper）和施里弗（Schrieffer）才提出了重要的超導現象微觀理論，被廣為接受，也就是著名的 BCS理論。

簡單來說，當一塊金屬導電時，由於粒子碰撞會損耗能量，並且溫度越高能量損失得越多，也就是電阻越大。

而當溫度降低到一定程度時，粒子熱運動可以忽略不計，此時，當電子穿過時會與周圍原子產生吸引力，同時對隨後的電子產生吸引力，使兩個電子聚集在一起形成庫珀對（Cooper pair）。

庫珀對的作用力很微弱，熱運動就會輕鬆破壞它。當形成庫珀對后，原本是兩個費米子的電子就會具有玻色子的特質，使電子處於最低能級的相同狀態，此時電子就可以完全無損耗地穿過，也就是超導現象的發生。

當然，BCS理論只適用於低溫常規的I類超導體的解釋，而許多非常規超導體的原理我們至今還是未知。

低溫超導：老牌先鋒

低溫超導體一般是指臨界溫度低於30 K 的材料，主要由液氦 （Tc > 4.2 K）進行冷卻達到超導狀態。這類超導體也就是BCS理論可以解釋的範疇。

汞作為首個被發現的超導體，便是典型的低溫超導材料，其超導臨界溫度約為4.2K，處於接近絕對零度的極低溫環境。在這樣的低溫下，汞原子的熱振動大幅減弱，使得電子能夠順利配對形成庫珀對，進而展現出超導特性。

除了汞之外，鈮鈦合金（NbTi）和鈮三錫（Nb₃Sn）等也是常見的低溫超導材料。它們憑藉出色的超導性能，在核磁共振成像（MRI）、粒子加速器、核聚變裝置等諸多領域大顯身手。

高溫超導：後起之秀

隨著科技的不斷進步，高溫超導材料在20世紀80年代嶄露頭角。

1986年在瑞士IBM工作的Bednorz和Müller發現了一類新的超導材料LaBaCuO（30 K）。次年，隨著YBa2Cu3O7-x（90K）的發現，液氮溫度障礙 （77 K） 被打破。

77K以上的超導體節省電能的經濟潛力是巨大的，因為這是液氮的沸點。雖然液氦可以用於降低溫度到4k製造超導材料，但此時每升成本約為5美元。但如果僅需把溫度降到77 K以上，此時每升液氮的成本僅為0.30美元左右。

目前有兩類高溫超導材料，一類為銅氧化物，一類為鐵砷或者鐵硒化物，簡單就是一個叫銅基超導體，一個叫鐵基超導體。

2024年10月，我國科研團隊聯合國外的多個研究團隊，在鎳基高溫超導體的研究中取得了重要進展，對於鎳基高溫超導材料的進一步優化設計與合成具有重要指導作用，將推動鎳基高溫超導體的研究進程。

常溫超導：科幻之光

當越來越多的高溫超導材料被發現時，我們不僅會設想如果常溫超導材料出現，我們的生活又會發生什麼翻天覆地的變化。雖然目前在現實世界中，真正意義上的常溫常壓超導材料尚未被確鑿證實，但它頻繁地出現在科幻作品中，成為激發人們想像力的源泉。

從科學理論的角度暢想，一旦常溫超導成為現實，那將引發一場足以顛覆人類社會的科技革命。

在能源領域，超導輸電將徹底摒棄傳統輸電過程中的電阻損耗，實現電能的近乎無損傳輸，讓電力能夠以極低的成本輸送到世界的每一個角落，真正開啟能源無限化的嶄新時代。

在交通領域，磁懸浮技術將不再受限於高昂的製冷成本和複雜的低溫系統，汽車、火車甚至飛機都有可能藉助超導磁體實現高效、高速的懸浮運行，城市交通擁堵或將成為歷史。

在計算科學領域，基於超導材料的量子計算機將如虎添翼，憑藉超導量子比特的超快運算速度和超強穩定性，輕鬆攻克現有計算機難以企及的複雜難題，為人工智慧、密碼學、藥物研發等眾多領域帶來飛躍式發展。

遺憾的是，到目前為止，科學家們尚未在常壓下實現真正意義上的室溫超導。目前發現的室溫超導材料需要在極高的壓力條件下才能表現出超導特性，距離實際應用還有很大距離。

例如，2020年10月，美國的迪亞茲團隊宣佈在267萬個大氣壓下實現了轉變溫度為15攝氏度的超導電性，但由於實驗條件極端且難以複現，該研究結果受到質疑，相關論文也被撤回。

2023年3月，迪亞茲團隊再次宣佈在約21攝氏度和10千巴（約相當於1萬個大氣壓）的條件下實現了超導現象。儘管所需壓力相比之前有所降低，但仍遠高於常壓，且該研究仍需進一步驗證。

此外，2023年7月，韓國科研團隊宣佈發現了名為LK-99的材料，聲稱其在常溫常壓下具有超導特性。然而，全球多家實驗室對該材料的研究結果未能證實其超導性，導致該發現的可信度受到質疑。

儘管室溫超導仍處於研究階段，但科學家們正在持續探索新的材料和方法，以期在未來實現這一目標。

作者：楊雨鑫

策劃：張超 李培元 楊柳

審核：付昌義 南京工業大學副教授

江蘇省科普作家協會科幻專委會主任委員