更新时间：2023-08-15 18:14
高温超导（High-temperature 超导，缩写为high-T c 或HTS）是一种物理现象，指一些具有较其他超导物质相对较高的临界温度的物质在液态氮的环境下产生的超导现象。但即便称为高温超导，“高温”仍然远低于环境温度（室温），通常指临界温度高于液氨温度(大于 77 K) 的超导体。1986年，高温超导体由美国国际商业机器公司（IBM）研究人员格奥尔格·贝德诺尔茨（Johannes Georg Bednor） 和卡尔·米勒（K. Alex Müller）发现，虽然临界温度约为 35.1 K（−238.1 °C；−396.5 °F），但朱经武对这种新型超导体进行了改进，使之成为第一个高温超导体，临界温度为 93 K（−180.2 °C；−292.3 °F）。 贝德诺尔茨和米勒因“在发现陶瓷材料超导性方面的重要突破”而荣获1987年诺贝尔物理学奖。大多数高温超导材料是II型超导体。
高温超导体的主要优点是它们可以使用液氮进行冷却，与之前已知的需要昂贵且难以处理的冷却剂（主要是液氦）的超导体相比。高温超导材料的第二个优点是它们在比以前的材料更高的磁场中保持超导性。大多数高温超导体是陶瓷材料，而不是金属材料。陶瓷超导体有着广泛的实际应用，但在制备制造方面仍然存在许多问题。
高温超导体的发现，突破了温度壁垒，把超导应用的温度从液氦提高到了液氮温区，超导电子学也得到了进一步的充实和发展。相关应用有超导电缆、超导微波无源器件，滤波器、谐振器、延迟线、耦合器微波开关等。此外，超导红外辐射计也开辟了超导电子学在红外领域的应用。
1911 年，海克·昂内斯（Heike Kamerlingh Onnes）利用液氨将金和铂冷却到4.3K以下，发现铂的电阻为一常数。随后他又将汞冷却到 4.2K 以下，测量到其电阻几乎降为零。在3K时，他发现电阻降到3×10－6以下，这是第一次观察到的超导电性。后来两年内，昂内斯又发现锡和铅也和汞一样具有类似现象。1913年9月在华盛顿哥伦比亚特区召开的第三届国际制冷会议上，昂内斯正式提出了“超导态”概念。1933年，迈斯纳 (Meissner)和奥克森费尔特(Ochsenfeld)在实验中发现超导电性的物体在磁场中转变为超导体后，内部磁场为零，即“迈斯纳效应”。
随后针对超导现象的理论的研究陆续开展，1950年，金兹伯格(VLGinzburg)和列夫·达维多维奇·朗道(L.DLandau)提出了一个基于二级相变的使用序参数描述超导的唯象理论，被称为G-L 理论：1953 年，皮帕尔德(ABPippard)引入非局域超导电动力学发展了伦敦理论，并提出超导相干长度的概念；1957 年，巴登(Bardeen)、库珀(Cooper) 和史雷夫(Schrieffer)等人基于同位素效应、超导能隙等重要实验结果，提出了超导的微观理论，即著名的BCS理论，从而解决了超导微观机理问题，但由于BCS 理论是弱耦合理论，对描述强耦合作用的情况有所缺陷，伊里士伯格和麦克米兰等人又发展了超导的强耦合理论；1957 年，阿布里柯索夫(AAAbrkosov)在超导正常态负界面能情况下，求解 G-L方程，从而预言了第I类超导体及磁通量点阵的存在，戈尔柯夫(L.PGorkov)则证明G-L方程可由微观理论导出，故也将 G-L理论和阿布里柯索夫及戈尔科夫的理论通称GLAG理论；1962年，约瑟夫森(BDJosephson)在理论上预言了超导的约瑟夫森效应，即库柏对的隧道效应。
在实验方面，1950年，詹姆斯·麦克斯韦 (E.Maxwell)和雷诺(C.AReynolds)发现了超导的同位素效应；1953~1960 年间他们利用各种实验方法对超导体的研究表明，在电子激发谱中存在能隙；1961年发现磁通量量子化:1967 年观察到超导处于混合态下的磁通晶格；自1964 年以来对宏观量子干涉现象也进行了大量的研究。
1986年4月，贝德罗兹(J.GBednorz)和缪勒(KAMller)发现的Ba-La-铜O系氧化物超导体“可能存在高温超导电性”。随后他们发现当温度降低到35K时其电阻陡降，到13时电阻完全消失，并由此揭开了高温超导电性研究的新篇章，将超导体的材料从属范围从金属材料扩展到氧化物陶瓷材料。这种氧化物陶瓷材料的临界温度打破其前保持了13年之久的金属化合物超导体23K，Nb3Ge 的临界温度记录，达到了35K，他们也因此获得了1987年度诺贝尔物理学奖。1987年2月，朱经武等首先通过美国国家科学基金会宣布他们发现了一种临界温度超过90K的新的超导体，并强调测量是在液氮中进行的，突破了77K液氮的禁区，也即开创了“液氮温度超导体”，或称“高温超导体”的新时代。同年2月24日，赵忠贤等合成了Y-Ba-铜O超导体，中点转变温度为92.8K，在78.5K时电阻降到零，并同时第一次在国际上公布了该超导体的组成元素。
1987年夏天，米切尔(C.Michel)等报道了临界温度7~22K的Bi-Sr-Cu-O系超导体，临界温度超过了100K，即不含稀土元素的 Bi-Sr-Ca-Cu-O 氧化物超导体，它有两个相，分别为85 和110K。1988年1月，日本前田(HMaeda)等宣布发现了超过100K的Bi-Sr-Ca-铜O系超导体。1993年，菩提林(S.NPutilin)和希林(ASchilling)等人发现了T=135K的汞-钙-铜-氧(Hg-Ba-Ca-Cu-O)氧化物超导体，至今它还保持着常压下最高的临界转变温度。
2015年，物理学者发现，硫化氢在极度高压的环境下(至少150GPa，也就是约150万标准大气压)，约于温度203K （-70 °C）时会发生超导相变。2018年，德国化学家发现十氢化在压力170GPa，温度250K（-23℃） 下有超导性。2020年，罗切斯特大学的朗加·迪亚斯（Ranga Dias）团队合成了含碳硫化氢系统（carbonaceous 硫 氢化物），在267±10GPa的压力下，最大临界温度达到287.7±1.2K（约15℃），使得超导临界温度首次达到室温，但2022年遭遇期刊撤稿。2023年，该团队宣称在一种由氢、氮、组成的材料中实现了室温超导，且压力相对较低，约10kbar（约大气压力的 10000 倍），远低于在室温工作的超导通常所需要的数百万个大气压。
目前针对高温超导现象并没有明确的理论，例如在铜氧化物高温超导材料电子间存在很强的相互作用，其电子特性已经偏离了常规的金属恩里科·费米液体规律，例如高的Tc、短的相干长度、强烈的各向异性以及正常态的不寻常特性等。其中具有里程碑意义的是安德森在1987年提出了这些材料的3个重要特征（不能用传统的BCS理论来解释），在之后的研究中这些基本特征得到实验上的证实。与之同步的相关研究者也逐渐建立了多种新的理论来理解高温超导的种种奇异现象。
1987年，美国物理学家菲利普·安德森（P.W. Anderson）提出共振价带理论，即VB 理论，从自旋电荷分离的两类元激发的观点来研究超导电性。同年提出Hubbard模型和t-J模型，该模型一直是研究铁磁性材料的主要理论模型。1988年，张等（L.Y.Zhang）发现了赝能隙(Pseudogap)，加纳巴蒂·巴斯卡兰（G.Baskaran）和安德森提出了U(1)规范场理论，（I. Affleck）提出了SU (2)理论。其中，理论上存在着各种各样对赝能隙的解释， 根据赝隙与超导电性之间的关系，总的来说可以把 理论解释归纳为两大类：第一类理论，认为赝隙相是 超导相的先驱，超导发生在赝能隙的基础上。第二类理论认为，赝能隙与超导电性之间没有直接的联系，赝能隙来自其他某种有序基态或者涨落，比如反铁磁涨落、电荷密度波等等。
1989年，施里弗（J.R.Schrieffer）提出了自旋袋理论(Spin-bag)，着重从超导电性在高温氧化物超导体中与其反铁磁性的相互作用角度探讨，其元激发为自旋袋(Spin bag)，它具有固体物理学中空穴的传统量子数，即电荷+e和自旋1/2，但是存在很强的装饰效应(Dress荷兰 efects)。同年，沃玛（C.M.Varma）和他的同事们以多种实验事实为基础，对高温铜氧化物超导体提出了一种唯象描写，称为边缘恩里科·费米液体绘景。1990年，大卫·派恩斯（D.Pines）提出了反铁磁费米液体理论，与安德森理论不同，自旋与电荷不分离，而和正则费米液体一样。1991年，平岛（D.S. Hirashima）提出了d-p模型，两年后沃尔曼（D.A.Wollman）提出了d-波配对对称理论(d-wave pairing symmetry)，后来该理论被崔（C.C.Tsuei）和科特利（J.R.Kirtley）的实验所证明。
进入21世纪，2000年，奥伦斯坦（J. Orenstein）和米利斯（ A.J. Millis）提出了磁共振理论(Magnetic resonance)、2001年，兰扎拉（A. Lanzara）提出电子—声子作用 (Electron-lattice interactions)，2003年，拉夫林（R.B.Laughlin）提出了稀薄超导体的概念，意思是说高温超导材料的超流密度很低,因而具有非常稀薄陇的超导电性。
超导材料根据材料类型，超导体可分为元素超导体、金属合金或金属化合物超导体、重费米子超导体、氧化物超导体、有机超导体等，其中根据具体元素也可以分为铜基、铁基、硼化镁、碳基、酸盐超导体等。
铋高温超导材料的化学通式为Bi2Sr2Can-1CunO2n+4，n=2，3。也就是说这个家族有两个成员，即Bi2Sr2CaCuO8和Bi2Sr2Ca2Cu3O10。习惯上称为铋2212相和铋2223相。在铋2223相中，如果用Pb少量地取代Bi，材料的超导性能会得到改善。铋2212相的超导转变温度为85K，铋2223相的超导转变温度为110K。
第一个被发现的临界温度超过77K的高温超导体就是YBaCuO( YBCO) 超导体。它是一种层状钙钛矿，具有正交对称性，空间群为Pmmm。c方向的点阵常数约为a、b方向的3倍，其超导电性呈现出明显的各向异性。电流传输主要在超导体内的a-b面内。其相干长度 ξ 较短，a-b 面ξab ( 0) = 1. 2 ～ 1. 6nm，c 方向的相干长度 ξc( 0) = 0. 15 ～ 0. 3nm。而磁场的穿透深度 λ 较大，a-b 面 λab = 140nm，c 方向 λc = 700nm。各向异性比达到了 5 ～ 8 左右。
铊超导家族是高温超导体中最大的家族。又可分为两个分族。第一个分族的分子通式为Tl2Ba2Can-1CunO2n+4，n=1，2，3…。这个家族有三个主要成员，即2201相，2212相和2223相。2201相（Tl2Ba2CuO6）的超导转变温度为90K，2212相（Tl2Ba2CaCu2O8）的超导转变温度为110K。2223相（Tl2Ba2Ca2Cu3O10）的超导转变温度为125K。因这一分族的每个成员的分子式里都含有两个Tl原子，在晶体结构上对应两个铊原子层，所以人们又把这个分族叫做铊双层分族。
铊家族的另一个分族的化学分子通式为Tl(Ba，Sr)2Can-1CunO2n+3，n=1，2，3。这个通式中的(Ba，Sr)表示这个位置可以是Ba也可以是Sr。当这个位置的原子是Sr时，Ca可以被某一种稀土元素（R）部分取代。能参与取代的稀土元素达15种之多。这个家族的主要成员在晶体结构上有三个，即1201相，1212相和1223相。而每个含Sr的成员的Ca又可以被稀土元素取代。所以这个分族有成员几十个。因这个分族每一个分子中只含一个铊原子，即在晶格中只有一层铊原子，所以人们又常把这个分族称为铊单层分族。铊单层分族的1201相、1212相和1223相的超导转变温度分别为45K，95K和120K。
稀土213家族的化学通式一般写为（R，Ba）2CuO4-x，这里R表示某一种稀土元素。至少有十种稀土元素可以用来合成这个家族的超导体。这个化学分子式中含两个（R，Ba）类原子，一个Cu原子，4个氧原子，所以被称为214结构。在晶格中，R和Ba的位置是等价的，所以这里把它们看作一类原子。由于一般地讲，在晶格中存在着氧原子少缺，所以在分子式中写成O4-x。这个家族的超导转变温度约为36K。
稀土224家族的化学通式为RBa2Cu3O7-x，R同样表示某个稀土元素。至少有13种稀土元素可以用来合成这个家族的超导体。因为这个家族的分子式中金属元素的个数分别为1，2和3，所以人们把这三种家族称为123超导体家族。因为元素的增多，人们习惯上不再把氧原子写出来表示这个家族。由于这个家族被发现的第一个成员的稀土元素是（Y），所以人们也常把123家族称为钇家族。
高温超导有两种具有代表性的理论，即弱耦合理论和层间耦合模型。首先，弱耦合理论表明超导性源于掺杂系统中的反铁磁自旋涨落。根据这个理论，铜酸盐高温超导的联会波函数应该具有 dx2-y2 对称性。因此，确定配对波函数是否具有 d波对称性对于测试自旋波动机制至关重要。也就是说，如果高温超导阶参数（配对波函数）不具有d波对称性，则可以排除与自旋涨落相关的配对机制。 （铁基超导体也有类似的论证，但不同的材料特性允许不同的配对对称性。） 其次，存在层间耦合模型，根据该模型，层状结构由BCS型（s波对称）超导体组成可以自行增强超导性。通过在每层之间引入额外的隧道相互作用，该模型成功地解释了阶参数的各向异性对称性以及 高温超导的出现。因此，为了解决这个悬而未决的问题，进行了大量的实验，如光电子能谱、核磁共振、比热测量等。 迄今为止的结果是模棱两可的，一些报道支持高温超导的 d 对称性，而另一些报道支持s对称。
在高温超导体中所有实验证据都表明至少在佳和欠掺杂的空穴型超导体中超导能隙函数中d波配对占据绝对成分。一个证明d波配对的实验为 崔（C.C.Tsuei）和科特利（J.R.Kirtley）所完成，他们利用分子束外延方法制备了全由高温超导体 YBCO 薄膜构成的三结环中观察到半个微通量子的俘获，直接证实了YBCO中为波配对，即在YBCO超导态为波配对时三结环中才应当显示自发产生的磁通量。后来，又在其他高温超导体系如 Ti2Ba2CuO6，Bi2Sr2CaCu2O8中也做了类似的实验。
高温超导电性的应用基本上可以分为强电强磁应用和弱电弱磁应用两大类，在军事、民用、科研等领域有广阔的应用前景。在强电领域主要超导变压器、超导电缆、超导感应加热器、超导储能器和超导磁体等，在弱电领域主要是超导滤波器和超导量子干涉仪等。此外，高温超导体发现以后，超导电子学得到了进一步的充实和发展。超导微波无源器件，如滤波器、谐振器、延迟线、耦合器微波开关等，超导红外辐射计也开辟了超导电子学在红外领域的应用。
高温超导技术在军事领域的应用也极具潜力， 如舰船中的，美国国防部曾投入数千万美 元研制一台36MW的超导电机。和传统电机相比 其重量由300t减轻至50t，体积缩小 70% ，大大增加 了军舰的装载能力和机动性。超导超电磁炮、超导微波炸弹、超导扫雷等也迫切需要第二代高温超导材料。
在民用领域，高温超导的应用前景十分广泛，如超导电缆、超导限流器、超导电机、超导变压器、超导变电站、磁浮列车等，其中磁悬浮列车是利用高温超导强磁场使列车悬浮起来，大幅度地减少了列车运行过程中列车与铁轨之间的摩擦，减少了能耗、提高了速度。此外，因为高温超导材料具有零电阻和电流密度高的特点，所以高温超导电缆的电流损耗低、截流能力大，传输容量比常规电缆高3一5倍。并且超导电缆在结构上采用液氮作为冷却液，能够使电缆产生的磁场集中于内部，也不会产生漏油等情况，避免环境污染和产生火灾隐患。