1987年2月24日
高温超导研究
自然界的很多过程总是倾向沿着阻力最小、能耗最低、方式最简洁的方向进行，比如气流或水流朝向低压处流动，热量朝着低温处传导，电流从高电位流向低电位，液滴用最少的材料形成最稳固的球形等。如果想使这些过程逆向进行，就要多消耗一部分能量。受到这些自然现象的启示，有人设想，能不能在设计制造各种装置时，也沿着“自然节约”的法则，尽量减少一些能耗呢？100多年来，人类对“零电阻”的追求就是明显的一个例子。
某些金属，在很低的温度下电阻会消失，电流可以在其中无损耗的流动，这种现象就叫做超导。超导现象是自然界最奇特的现象之一，有人对超导现象做出了解释，他们认为，在普通状态下，受到电场的作用，电子在导体中做定向运动时会遇到阻力，这是由于金属晶格的不完整性、缺陷或杂质的影响，电子在金属内的运动并不顺畅，而是边走边跳边碰撞地损耗着能量，这就出现了电阻。然而在超导现象出现时，电子在特殊条件下成对地结伴而行，这种电子对又叫“库珀对”，金属要想阻止电子的运动，就得先拆散库珀对。然而，当温度很低时，金属结构不能提供足够的能量，无力拆散电子对，于是电子得以畅通无阻地前行，此时电阻消失，即出现了超导现象。
1911年4月8日，荷兰物理学家卡莫林·昂内斯在做超低温研究，当温度降低到了1.04开（即零下273.12摄氏度）时，意外地发现了超导现象（参见本书4月8日“1911年超导科学之父——昂内斯”）。自那以后，人们开始研究超导产生的机制。为了使超导具有实用价值，人们也开始研究在高温下实现超导的可能。这件事想着简单，真正实施起来却没那么容易。从20世纪20年代起，有许多人投入研究，但都无果而终，一直到20世纪60年代末，高温超导一直处于停滞状态，于是有人认为，超导现象存在着温度的极限，它只能在物质低温状态下出现。进入20世纪80年代，有人扩大了超导材料的搜寻范围，曙光终于出现。1986年6月1日，瑞士物理学家缪勒（图1）和德国物理学家柏诺兹（图2）共同在德国《物理》杂志上发表论文，报道他们找到了一种特殊的氧化物（Ba-La-Cu-O）材料，获得了33开的高温超导。这一突破性纪录来之不易，它是缪勒和柏诺兹坚持不懈二十多年的研究成果。这一突破性进展，燃起了人们探索高温超导的希望。
图1
图2
缪勒和柏诺兹的研究进展引起了世界范围的高温超导研究狂潮，受到他们所选择材料的启发，新的成果如雪崩式地涌现。1986年12月15日，美国休斯敦大学得到了42.2开的超导转变；1986年12月26日，中国科学院物理研究所成功获得的转变温度为48.6开；1987年2月16日，朱经武实验组在92开处观察到了超导转变，人们开始向着百开大关冲刺。就在这个关键时刻，中国科学院物理所赵忠贤（图3）研究组不负众望，在1987年2月24日宣布，他们获得了氧化物超导体100开的转变温度，首先冲进了百开大关。目前全世界在两种新型铜基和铁基超导材料的临界温度分别已经达到135开和138开。
图3
这些成果来之不易，在实现超导的目标上，人类已经从液态氦级攀登到了液态氮级！液态氦的沸点是4开左右，而液氮的沸点则是77开，获得液氮要比液氦容易得多，也廉价得多。这一重大的突破，说明实现可实用的高温超导已经不远，这一连串激动人心的成果再度激起了世界范围内的“超导热”。
自1911年荷兰物理学家、诺贝尔奖获得者卡末林·昂内斯发现了超导现象以来，人类找到的超导材料已近5000多种，超导电性的机制研究越来越精细，所发现的超导体性质也越来越丰富。所涉及的高温超导材料，从最初的单元素汞和铅、锌、铌等金属超导材料，扩大到超导电性合金、金属碳化物、氮化物、铜基和铁基超导体、稀土高温超导材料等复杂的化合物，从一元系到二元系以至多元系。这一切的目标只有一个，就是追求更高温度的超导电现象出现，否则超导现象再奇特也不可能长期得到大规模的发展。
目前，对铜基和铁基氧化物超导机制的研究已经成为凝聚态物理学中的前沿课题。在研究铜基和铁基高温超导机制中人们发现，过去用电子对解释的超导机制对于这两种材料不再适合，它们的超导机制成为当今凝聚态物理学中的一个巨大谜团。新老两种高温超导材料是否一样？假如不一样，那将意味着新材料发现的价值远远超出了材料的自身，其意义要比预想重要得多，一来从中能找到全新的、更为合理的超导机制，二来也使人们更清晰地找到新的高温超导研究的方向和途径。
2010年和2012年，先后在北京和加州圣巴巴拉召开了“中美新超导体探索双边会议”，这次会议为中美科学家的合作提供了平台，旨在研究新型超导材料的同时研究相关的理论，如界面效应、机制研究，沿着这个方向，有可能促进人类对超导材料有更深层次的理解与掌握。
高温超导研究成果对人类来说具有划时代的意义，一旦实现了超导“室温化”，就意味着实现超导“实用化”和“工业化”已经不远了，超导对人类文明社会的影响将是深刻而长远的。
目前超导的应用前景包括：超导大容量发电机、超导输电、超导电信传输、超导核磁共振。超导计算机、超导磁力悬浮与超导核聚变反应的磁约束等，这些都涉及大型技术工程。此外在超导器件上，有高温超导涂层，高温超导缆线、带材、块材及薄膜，高温超导储能磁体等。在理论上有高温超导机制研究、掺杂研究、电子结构与能带结构研究等，图4为上海超导磁悬浮列车。尽管百年来在高温超导研究上取得了一波又一波的重大进展，超导开始进入人类的生产和生活，但是，真正实现人们所企盼的、按照自然法则的超导节能生存，还将有很长的路要走。
图4
关键词：高温超导，卡尔·缪勒，乔治·柏诺兹，赵忠贤，high temperature superconductor，K.Alex Muller，J.Georg Bednorz，Zhao Zhongxian
图1：https://en.wikipedia.org/wiki/K._Alex_M%C3%BCller
图2：http://www.uzh.ch/news/articles/2006/2125.html
图3：http://www.physics.fudan.edu.cn/tps/branch/cqc/en/people/advisory-board/zhao-zhongxian.html