前几天，由德国马普物质结构与动力学研究所领导的国际研究小组借助短红外激光脉冲在陶瓷材料上成功实现了室温超导——虽然只有百万分之几微秒。短时室温超导的实现，无疑是超导材料界的一个重磅炸弹，给数十年来不断追求提高超导临界温度的材料人又燃起了一把火！

那么什么是超导现象呢？简而言之，超导现象就是在某个低温条件下，导体的电阻突然消失的这么一种神奇的现象。但仅仅具备电阻为零这个条件是不是就一定是超导体呢？可以很负责的告诉你，不是哦，要想成为超导体，还得具备另外一个条件，那就是完全抗磁性。换句话说，超导体必须具备两大条件：电阻为零和完全抗磁性。

超导体完全抗磁性

从1911年问世以来，尽管取得了一系列的突破和发展，但是限制超导材料在大范围普及应用的瓶颈就是其非常低的温度。所以，这100多年的时间，材料科学家一直在寻求更高温度的超导材料，从Tc为4.2K的金属汞，到1973年发现的Tc为23.2K的铌锗合金，再到1987年的Tc为77K的钇钡铜氧。下面请允许我暂时冒充小崔一下，也来一个“小崔说事”，今天我们的主题就是《超导材料的昨天，今天和明天》。

昨天，路漫漫

1911年，Onnes首先发现Hg在4.2K温度附近电阻突然消失，由此开拓了一个新的超导物理领域。自那以后，世界各国掀起了一股对超导现象和超导技术研究的热潮。而超导技术的发展更是依赖于超导材料的发展，超导材料的发展也就是在不断地提高其临界温度的一个历程。不过，这个过程并不轻松。

直到1973年，发现超导合金――铌锗合金，其临界超导温度为23.2K，这一记录保持了近13年。1986年，设在瑞士苏黎世的美国IBM公司的研究中心报道了一种氧化物（镧钡铜氧化物）临界温度为35K。同一年，美国贝尔实验室研究的超导材料，其临界超导温度达到40K，液氢的“温度壁垒”（40K）被跨越。

超导体发展历程

很快，亨茨维尔亚拉巴马大学的吴茂昆及其研究生（Ashburn和Torng），与休斯顿大学的朱经武和他的学生共同发现了钇钡铜氧，这是首个超导温度在77K以上的材料，突破了液氮的“温度壁垒”（77K）。也因此引发了对新高温超导材料的研究热潮。随后，中国科学家赵忠贤以及美国华裔科学家朱经武相继在钇－钡－铜－氧系材料上把临界超导温度提高到90K以上。1987年底，铊－钡－钙－铜－氧系材料又把临界超导温度的记录提高到125K。从1986－1987年的短短一年多的时间里，临界超导温度提高了近100K。

自那以后，超导材料进入了高温超导材料的时代，区别与之前的液氮温度以下的低温超导材料。进入21世纪以来，也有很多超导材料的临界温度被发现超过100K了，但离室温超导体还很远，所以材料科学家对于提高超导材料的临界温度的探索一直都没有止步。

今天，又一春

近日，马普研究员安德烈·卡弗拉里与来自法国、瑞士等国家的科学家合作，发现用红外激光脉冲照射一种叫做钇钡铜氧化物（YBCO）的晶体时，它在室温下（300K）短暂地显出了超导性。他们认为，是激光脉冲使晶格中的原子出现了暂时改变，从而提高了材料的超导性。

双层氧化铜分子层原子分布示意图

钇钡铜氧化物的晶体具有一种非常特殊的结构：双层氧化铜分子层与一层稍厚一些的钡、铜、氧原子中间层交互叠加构成晶体。这种材料的超导性便来自其中的双层氧化铜分子层。电子可以在这里结合形成所谓“库珀对”(Cooperpairs)。这种电子对可以在不同层之间穿越，这就意味着这些电子对能像鬼魂一样穿越层面不受阻挡——这是一种典型的量子现象。然而这种晶体结构也只有在低于“临界温度”的情况下才会显示超导性，因为只有在这样的条件下电子才会形成库珀对，并且不仅仅在双层氧化铜分子层内穿越，而且还能穿越更厚的中间层。而当温度高于临界温度时，这种电子的库珀对便消失了，这种材料也就变回一种导电性很差的金属合成材料。

同时，来自瑞典林雪平市、普萨拉大学和查尔姆斯理工大学的材料研究人员，与瑞士同步辐射光源（SLS）的研究人员在瑞士合作利用先进的X射线光谱研究超导体YBa2Cu3O7-X（简称YBCO）。他们发现，自掺杂是实现室温超导的关键因素。

双层氧化铜“链”之间的载流子运动示意图

这种短时室温超导现象的实现，包括对其作用机制的初步探索，都让我们有足够的信心相信超导材料马上要迎来第二春。它成为继上世纪80年代末90年代初高温超导材料的发现又一个里程碑。这项最新研究成果也帮助改进了目前还尚不完善的高温超导体理论。曼可威斯基表示：“这项成果将帮助材料科学家们研发具有更高临界温度的超导材料。并最终实现可在室温下应用，完全无需冷却的超导材料的梦想。”到目前为止，超导磁体，马达或电机在应用时都必须使用液氮或液氦进行冷却。如果这种复杂的冷却过程不再需要，这将意味着这一领域的一项关键性技术突破。

明天，更精彩

从100多年之前发现超导现象，到100多年之后的今天短时室温超导现象的发现；超导技术历经百年沧桑，历代科学巨匠也是孜孜以求，可是说，我们人类对超导材料的研究与开发已经站在了一个新的高度。我们完全可以站在这个更高的平台上去构建我们的超导材料的应用蓝图。

超导材料的应用有些大家是看不到的，如电压基准；有的是看到而没有注意到的，如用于医院诊断的核磁共振成像打的超导磁体；比较大型的应用是在大科学装置方面，如加速器、磁约束核聚变实验装置；在科学仪器方面有其独特的优势，如高灵敏度量子干涉磁强计和仪器磁体。如此小体积高磁场的磁体，以及如此高灵敏度的电磁信号检验仪器是非超导材料不能替代的。这些应用基本都是使用低温超导材料，而高温超导材料的应用除了上述方面之外还可能有更广泛的应用，如：超导磁悬浮列车、超导电力系统、新式的超导船舶推进系统等。目前比较有一定规模的高温超导应用是移动通讯基站上的超导滤波器，北美已经有几千套在基站上应用。然而，其他方面的应用还基本上处于样机和试验阶段。

过去有企业家和专家预测，到2020年，与超导材料及其应用有关的市场可能达到2000亿美元。这种预测在过去很长的一段时间被认为过于乐观，因为这种预测的基础是基于一种高磁场下有高临界电流的实用带材的实现。这种带材的行业术语被称为第二类带材，即用以YBCO或ReBCO（Re代表稀土元素）为基底的实用带材。目前可以做到几百米，但价钱太贵，只有突破一些关键的工艺技术才有可能降低成本。同时要达到低温超导材料所具有的那样的可靠性。近日发现的短时室温超导为这个工艺技术的突破提供了很好的努力方向，相信随着室温超导时间的延长和高温超导机理的发现之后，高温超导材料的应用将远远不止于此。而作为材料人，我们则大有可为！

文章来源：材料人网