众所周知，超导材料可以显著提高磁场的稳定性和效率，这对于实现可控核聚变是至关重要的。目前，大型聚变装置基本会选择采用低温超导材料，而核聚变商业化公司出于装置体积、成本等方面考虑，基本普遍采用高温超导材料。据悉，Commonwealth Fusion Systems、Tokamak Energy、能量奇点、星环聚能均采用了高温超导的方案。自本期开始，我们计划分5期向您介绍有关超导的知识。
一、超导定义
超导，全称超导电性，是指某种材料在降至某一临界温度时，电阻突然降为零的现象，具备这种特性的材料则被称为超导体或者超导材料。超导现象是二十世纪最重要的科学发现之一。
二、超导特性1. 零电阻效应：又称“完全导电性”，即低于临界温度Tc时，超导体的电阻迅速降为零的特性。2. 迈斯纳效应：又称“完全抗磁性”，即在磁场强度低于临界磁场强度Hc时，外界磁场的磁力线无法穿过超导体，超导体内部磁场为零的现象。3. 量子隧穿效应：是指在“超导体-薄绝缘介质层-超导体”组成的三明治结构中，电子可以穿过绝缘层从而形成隧穿电流的现象，这种结构也被称为约瑟夫森结，中间绝缘层的典型厚度为1.5~3nm。
三、超导发展历史
-1908年，荷兰科学家昂内斯（Heike Kamerlingh Onnes）将最难液化的气体氦气（He）液化，从而获得了4.2K的极低温度，为超导现象的研究奠定了基础。
-1911年，昂内斯发现在液氦（4.2K）的环境下，金属汞（Hg）的电阻成功降为0，昂内斯将其命名为“超导态”，自此拉开了超导研究的帷幕。昂内斯也因此于 1913年荣获诺贝尔物理学奖。
-1941年之后，学界开始在金属与过渡金属的化合物、金属与非金属的化合物中寻找超导体。
-1957年，美国物理学家John Bardeen、Leon N.Cooper和J.Robert Schrieffer，共同开发了超导理论，通常称为BCS理论。三人也因此成就获得1972年诺贝尔物理学奖。
-1973年，美国物理学家加瓦勒（John Gavaler）利用离子溅射法制成 Nb3Ge薄膜，其TC达到23.2K，为当时超导体的最高纪录。
-1986年，IBM研究实验室的瑞士科学家缪勒（K. Alexander Muller）和德国科学家柏诺兹（J. Georg Bednorz）发现成分为钡镧铜氧的陶瓷性金属氧化物具有高温超导性，临界温度可达35K。同年，日本科学家田中昭二发现锶镧铜氧达到了37K的起始临界转变温度，并在33K达到零电阻。
-1987年，美籍华裔物理学家朱经武和中国科学家赵忠贤研制出钇钡铜氧系（YBCO）材料，超导临界温度提高到90K，首次将临界温度升到了液氮温度（77K）以上。
-2008年，日本工业大学的团队首先发现了掺杂氟元素的LOFA材料中存在超导现象，引发了铁基超导体的研究热潮。同年，来自中国的研究团队用稀土元素替代LOFA材料，获得了临界温度达55K的高温铁基钐系（SOFA）超导体。
-2015年，硫化氢（H2S）在150万倍大气压强下，温度低于203K时变成超导体，创造了超导临界温度的新纪录。
-2018年，MIT物理系的一个研究团队在双层石墨烯中发现了超导性，其中一层在冷却并施加少量电荷的情况下呈现小角度扭曲。
-2019年，氢化镧（LaH10）在170万倍大气压强下，临界温度为250K，即零下23摄氏度，进一步接近室温超导。
-2023年，中山大学王猛教授团队首次发现液氮温区镍氧化物超导体，并展示了高温超导新材料La₃Ni₂O₇单晶。这是人类目前发现的第二种液氮温区非常规超导材料。论文已在《Nature》杂志上发表。
-2024年，复旦大学赵俊团队在《自然》杂志发表重磅研究成果，成功研制出三层镍氧化物La4Ni3O10高质量单晶样品，并证实了镍氧化物中具有压力诱导的体超导电性。论文已在《Nature》杂志上发表。
四、超导分类1. 按照临界温度划分
a. 低温超导材料：Tc<25K 的超导材料被称为低温超导材料。目前已经实现商业化的包括NbTi（铌钛，Tc=9.5K）和Nb3Sn（铌三锡，Tc=18K）
b. 高温超导材料：Tc>=25K 的超导材料为高温超导材料。具备实用价值的主要包括铋系（例如Bi-Sr-Ca-Cu-O，BSCCO，Tc=110K）、钇系（例如Y-Y-Ba-Cu-0，YBCO，Tc=92K）和二硼化镁超导材料（MgB2，Tc=39K）、铁基超导材料等。
2. 按照对于外磁场响应程度划分
a. 第一类超导体：具有一个临界磁场，在常温下具有良好导电性的纯金属，如铝（Al）、锌（Zn）、镓（Ga）、锡（Sn）、铟（In）等。
b. 第二类超导体：具有两个临界磁场，下临界场Hc1和上临界场Hc2。纯金属元素钒（V）和铌（Nb）外，主要包括金属化合物及其合金，以及陶瓷超导体。
3. 按照材料类型划分
a. 元素超导体：由单一元素构成的超导体。
b. 合金或化合物超导体：由两种或多种元素组成的合金或化合物形成的超导体。
b. 氧化物超导体：由氧化物构成的超导体。
4. 按照低温处理方式划分
a. 液氦温区超导体：在4.2K以下的温度中表现出超导性质。
b. 液氢温区超导体：在20K以下的温度中表现出超导性质。
c. 液氮温区超导体：在77K以下的温度中表现出超导性质。
d. 常温超导体：在接近或略高于室温的温度下表现出超导性质。
随着对超导材料的探索逐渐深入，我们对超导现象的基础有了全面的了解，从定义到特性，再到其发展的历史和分类。现在，让我们期待下一篇系列文章，它将带领我们深入了解超导材料的结构、生产工艺及其市场规模。敬请期待，我们将继续揭开超导世界的奥秘。
备注：
附1：LOFA（Low Oxygen Fluoride Apatite，也称为低氧氟磷灰石）是一类包含低氧和氟元素的材料，通过调整材料的化学成分和晶体结构，来提升材料在不同应用条件下的超导特性。
附2：SOFA（Superconducting Oxide Fluoride Apatite）是一类包含氧和氟元素的铁基超导材料，结合了氧化物和氟磷灰石的特征，具有特定的化学结构和物理性能，通过结合氧、氟和铁等元素，旨在优化超导性、改善材料的稳定性和适应性。