超导体

继第一个超导体金属汞被发现之后，人们陆续在元素周期表中找到了若干金属元素单质超导体。

超导体的迈斯纳效应的关键在于完全不依赖于降温和加场的顺序，超导态下材料内部磁感应强度始终为零（图2）[6]。

第二重是液氮沸点，就是77K（约-196℃），迈入这一门槛的超导材料意味着可以在液氮浸泡下工作，极大降低了规模实用化的成本，目前仅有铜氧化物超导体可以在常压下突破液氮沸点；

不过大家很快就发现，镍氧化物超导体具有很多类似铜氧化物超导体的性质，例如可能存在较强的磁性相互作用和自旋涨落，也同样存在电荷密度波甚至短程磁有序等与超导互相竞争的物态，甚至连超导配对的方式和能隙的形式上，都有点像，但细节有不完全相同[4-6]。

这个家族可以有单层结构的La2NiO4、双层结构的La3Ni2O7、三层结构的La4Ni3O10以及无限层结构的LaNiO3等等，其中单层的就是铜氧化物超导体La2CuO4的结构，而无限层结构就是前面提到首个镍氧化物超导薄膜的“母体”[7]。

近两年来，中国科学家频频在镍基超导研究中取得突破性进展，不仅发现了多个镍氧化物超导体，而且对其物性和机理开展了深入系统的探讨。

典型镍氧化物超导体的材料结构

这首个镍氧化物超导体可不容易，首先它得是大约20nm的薄膜状态，其次是制备出来的是含三个氧原子的状态，需要进行还原反应，去掉一个氧原子才会超导。

也未必能确定材料电阻为零！

所以，超导体电阻是绝对为零！

目前最好的实验精度告诉我们，超导体的电阻率上限在10-24Ω·m，比导电最好的铜银金等还低了十几个数量级，这还只是上限而已。

图16典型的铁基超导体材料结构[2]

图17典型镍氧化物超导体的材料结构[41]

超导体的完全抗磁性也是要远远优异于传统材料的，尽管考虑到实际材料的退磁因子及杂质缺陷的影响，超导体的实测抗磁体积很难达到-100%。

超导体的完全抗磁性又被命名为“迈斯纳效应”，相当于其内部产生了一个与外磁场大小相等但方向相反的“负磁场”，也即超导体对外磁场的磁化响应是负的，其

阿布里科索夫通过解特定情况下的G-L方程发现第二类超导体存在一种特殊的“磁通量子化”状态，即在相变附近的磁场进入超导体内部之后，会形成特定形状（如三角排列）的“磁通格子”，每一个磁通格点对应一个“磁通涡旋”，其直径就等于2倍相干长度2ξ[14]。

[41]王猛，液氮温区镍氧化物高温超导体的发现[J]，物理.

2013年，赵忠贤、陈仙辉、王楠林、闻海虎、方忠为代表的中国科学院物理研究所和中国科学技术大学研究团队因为在“40K以上铁基高温超导体的发现及若干基本物理性质研究”获得国家自然科学一等奖；

随着具有准二维结构的铜氧化物超导体的发现，人们更加确信在二维情形下有可能获得更高Tc的超导体，发现了多个界面超导体系。

未来，常压室温超导的发现和高温超导微观机理的解决都有可能让超导领域再次获得诺贝尔奖殊荣，而首个非常规超导体——重费米子的发现、第二个高温超导家族——铁基超导体的发现和逼近室温超导的高压氢化物超导体的发现，亦有角逐诺贝尔奖的实力，超导的研究之路上还会不断焕发惊喜。

图10典型的重费米子超导体发现年代及其临界温度[2]

图7典型的超导体的发现年代及其临界温度，插图为代表性体系的晶体结构[19]

基于超导电子态的宏观量子效应，1962年约瑟夫森提出了超导体的隧道效应，认为相邻的两个超导体内部电子隧穿之后会发生相位干涉，即便在没有施加电压的情形下就存在隧道电流，而在施加电压之后会出现诸如夫琅禾费衍射那样的电流强度调制[11]。

大部分的超导体属于“第二类超导体”，它们具有两个临界磁场：当磁场高于下临界场（Hc1）时，磁通线进入超导体内部，完全抗磁性即被破坏，但零电阻依旧可以依赖短路电流而存在；

换句话说，在第二类超导体中，如果先加磁场后降温，那么磁通线将会进入超导体内部甚至被冻结，导致在低温下抗磁体积远远不到-100%，而如果先降温后加磁场，才可能测量到接近-100%的抗磁信号。

随着温度和磁场的变化，超导体内部的磁通涡旋并不会保持一成不变的固态，而是会存在跳跃、蠕动、漂移、甚至雪崩的状态，呈现一系列的磁通涡旋玻璃态、塑性态、液态等（图6）[15][16]。

金属Nb在常压下Tc=9K，其相关合金及化合物的Tc有可能进一步提升，如NbO、NbC、NbN都是超导体[6]。

方案二：从现有的超导体微观机制出发，研究哪些相互作用有助于提高超导温度，然后重新设计构造新的材料，在多种相互作用帮助下一起提高临界温度。