超導體

超導體的發現與低温物理學的發展密不可分。在18世紀，基於理想氣體狀態方程，人們成功將多種氣體通過不斷壓縮最終液化，例如氧氣、氮氣和二氧化碳等，它們在一個大氣壓下的沸點分別為90.2K（-182.95℃）、76.59K（-196.56℃）、194.65K（-78.5℃）。然而受到當時低温技術的限制，人們認為存在不能被液化的“永久氣體”，如氫氣、氦氣等 ^[3]  。1873年，荷蘭萊頓大學的範德瓦爾斯提出了一個新的氣體狀態方程，可以更準確地描述氫氣和氦氣等分子量小的氣體 ^[4]  。1898年，英國物理學家杜瓦基於範德瓦爾斯方程的指導成功製得液氫，其在一個大氣壓下沸點為21K，即-252.15℃。1908年，荷蘭萊頓大學低温物理實驗室的卡末林·昂內斯教授成功將最後一種“永久氣體”——氦氣液化，其在一個大氣壓下沸點為4.2K，即-268.95℃。並通過進一步降低液氦蒸汽壓等方法，他們成功獲得1.15~4.25K的低温條件 ^[5]  。低温物理研究的突破，為超導體的發現奠定了基礎。

在19世紀末20世紀初，對金屬的電阻在逼近絕對零度時的具體行為，有不同的説法。一種觀點以威廉·湯姆遜為代表，認為隨着温度的降低，金屬的電阻在達到一極小值後，會由於電子在低温下發生凝聚而變為無限大。一種觀點以馬西森等人為代表，認為金屬電阻主要來自原子熱振動和材料內部雜質缺陷兩部分干擾，前者隨温度下降會不斷減弱，而後者即便抵達絕對零度，也會造成一定的電阻，即存在所謂“剩餘電阻率”。而杜瓦等人則認為，如果能有不存在雜質或缺陷的完美金屬，其電阻應該隨温度降低不斷降低，並且在逼近絕對零度過程中無限趨於零 ^[6]  。這一切的結果尚待具體實驗來驗證。

1908年到1911年間，掌握了液氦和低温技術的卡末林·昂尼斯測量了各種金屬在低温下的導電行為，他發現室温下電阻率很小的金和鉑等確實在低温下會存在“剩餘電阻”的行為，即電阻值趨於一個常數 ^[7]  。受到杜瓦等人的啓發，卡末林·昂尼斯認為剩餘電阻主要來金屬內部的雜質和缺陷，高純的金屬在逼近絕對零度時電阻應該可以持續減小。為了驗證這種猜想，卡末林·昂尼斯選擇了更容易提純的汞作為實驗對象，因為汞的純度可以達到99.999999％，幾乎可以認為是完美金屬，而且汞只要冷卻到-38.8℃就會凝成固態，極大方便了實驗測量。1911年4月8日，荷蘭萊頓低温物理實驗室的工程師Gerrit Flim、實驗員Gilles Holst、Cornelius Dorsman，和實驗室主任卡末林·昂尼斯（Heike Kamerlingh Onnes）測量了汞和金在低温下的電阻值，在4.3 K以上的時候，這兩個材料的都是一個有限的數值（0.1Ω左右）。隨着進一步蒸發液氦製冷到了3 K，下午4點時分，他們再一次測量的汞和金的電阻值，發現汞的電阻幾乎測不到了，而金的電阻則仍然存在。卡末林·昂尼斯在筆記本上記錄了這一現象，懷疑汞的電阻消失為零 ^[8]  。在隨後的數天裏，他們不斷重複實驗結果，確認汞的電阻在4.2 K以下降到了10^-5Ω以下，即低於他們儀器的精度。1911年11月，昂尼斯發表了題為“汞的電阻突然迅速消失”的論文，對物理學界報道了這一重大發現，並將該現象命名為“超導”，意指“超級導電”之意 [注：昂尼斯起初命名為supraconduction，後英文表述為superconductivity ^[9]  。隨後他們對金屬鉛和錫也進行了測量，發現他們各自在6 K和4 K也存在超導現象。發生超導現象時對應的温度又叫做超導臨界温度，簡稱超導温度 ^[10]  。

超導體具有兩個獨立的基本特性：絕對零電阻和完全抗磁性。此外還有磁通量量子化和宏觀量子態等物理特性。

超導體具有絕對的零電阻，，指在某一温度以下，材料電阻突然消失為零的現象。

原則上，沒有任何一個儀器能夠測到絕對的零電阻，因為儀器總是存在一定的測量精度。萊頓大學低温物理實驗室的工程師Gerrit Flim等設計了一個超導環實驗，通過平衡超導環和正常銅線圈裏的電流，可以監測環中電流形成的磁場變化，實驗持續1年多沒有觀測到任何變化 ^[11]  。按照儀器的靈敏度推測，超導體的電阻率上限應該小於 10^-23 Ω‧cm，之後人們採用更為精密的實驗，估算超導體的電阻率小於 10^-28 Ω‧cm，這遠遠比銅的電阻率（大於 10^-9 Ω‧cm）要小得多 ^[3]  。假設超導環可以永遠保持低温，按此電阻率推算的話，其中電流可能需要數百萬年以上才會有所變化，直到上億年甚至上千億年才會徹底衰減到零，因此在物理上完全可以認定超導體的電阻為絕對的零。

超導體的絕對零電阻態的存在是有一定條件的。由於超導是一種熱力學二級相變，實際上超導體的電阻並不會在某個温度一瞬間突然降為零，而是存在一個超導轉變過程，一般可以定義電阻開始下降為T_c,onset，電阻下降到一半為T_c,mid，電阻完全下降為零為T_c,0，因此判斷一個超導體的臨界温度T_c，需要特別注意其對應的定義，未必就是絕對零電阻態。除了温度之外，超導體的零電阻態也會被外磁場破壞，並且超導體承載的電流密度亦存在上限。部分超導體處於交變電流或交變磁場情況下，由於磁通線可以進入超導體內部併產生相互作用，也會存在交流損耗現象，一般來説，交流頻率越高，損耗越大 。交流損耗是超導體實際應用中需要解決的一個重要問題，在宏觀上，交流損耗由超導體內部感應電場與感生電流密度不同引起；在微觀上，交流損耗由量子化的磁通運動引起。如何降低交流損耗，是提高超導電力設備運行穩定性的關鍵之一 ^[11]  。

超導體的完全抗磁性又稱邁斯納效應，由德國科學家沃爾特·邁斯納(Walther Meissner)和他的學生羅伯特·奧森菲爾德(Robert Ochsenfeld)於1933年發現 ^[12]  。“抗磁性”指在外加磁場下，磁力線無法完全穿過材料，材料內部的實際磁場小於外界磁場的現象，即抗磁磁化率為負值。“抗磁性”並不特指超導體，諸如熱解石墨片、金剛石、水，以及鉍、鉛、銅等金屬都具有一定的抗磁性，但它們的抗磁磁化率都很低。超導體具有“完全抗磁性”，指的是指外部磁場強度低於臨界值的情況下，磁力線無法進入超導體，超導材料內部磁感應強度嚴格等於零，即抗磁磁化率為最大值-1，抗磁體積達到了100%。超導體出現完全抗磁性的本質是材料內部電子形成了宏觀量子凝聚態，即導電電子可以看成一個整體的超流態，對外磁場有完全的屏蔽效應。1935年倫敦兄弟（F. London 和 H. London）指出，因為超導體內部磁感應強度為零，對麥克斯韋方程組稍加修改就可以得到新的描述超導電磁特性的方程，後被稱之為倫敦方程 ^[13]  。由倫敦方程可知，磁場在進入超導體之後指數衰減，其穿透深度又稱為倫敦穿透深度，是描述超導材料的一個重要物理參數 ^[2]  。倫敦穿透深度的存在，意味着在特定條件下（例如足夠高温度、足夠強磁場以及材料存在缺陷等），磁通線是可以進入到超導體內部的，此時完全抗磁性被破壞，但零電阻態仍然可以保持。

判斷一個材料是否屬於超導體，必須同時具備零電阻態和完全抗磁性這兩個獨立的特徵。因為從理論上來説，還可以有所謂的“理想導體”實現零電阻態，卻不能具備完全抗磁性。超導體和理想導體有着本質的區別，可以從電磁理論出發，推導出如下結論：若先將理想導體冷卻至低温，再置於磁場中，撤掉外磁場後，理想導體內部磁場為零；但若先將理想導體置於磁場中，再冷卻至低温，理想導體內部磁場則不為零。即理想導體內部磁場是否為零，依賴於降温和加磁場的先後順序。而對於超導體而言，無論是先降温到超導態再加磁場，還是先加磁場再降温到超導態，超導體內部磁場始終為零，並在撤離磁場之後保持為零。這是完全抗磁性的核心概念，也是超導體區別於理想導體的關鍵 ^{[1]  [2]  [3]}  。

超導現象的物理本質是材料內部電子體系的熱力學二級相變。基於前蘇聯物理學家朗道(Lev Davidovich Landau)和慄弗席茲(Evgeny Lifshitz)發展出一般意義上的二級相變唯象理論，可以定義一個在相變點為零的序參量，而系統自由能就是關於序參量的不含奇次項的多項式函數，其中係數是温度的函數 ^[15]  。當系統的某些熱力學勢二階導數物理量發生了突變，即發生了二級熱力學相變時，對應的序參量會在原先為零的z兩側出現兩個穩定的平衡態。1950年左右，金茲堡(Vitaly Lazarevich Ginzburg)和朗道假設超導的序參量平方為超導電子密度，建立了兩個方程來描述超導體中磁場和電場的分佈，後被稱為GL方程 ^[14]  。1952-1957年間，另一位蘇聯科學家阿布里科索夫(Alexei Alexeyevich Abrikosov)成功解出了強磁場環境下的GL方程，發現超導體在接近臨界磁場附近時，磁場實際上可以穿透材料內部，而且是以磁通量子化的形式存在於有序排列的二維磁通渦旋點陣中，並最終被實驗觀測證實 ^[15]  。

阿布里科索夫還發現，根據界面能是正是負可以把超導體劃分成兩類：其中第一類超導體具有唯一的臨界磁場H_c，而第二類超導體具有兩個臨界磁場——下臨界場H_c1和上臨界場H_c2，介於它們之間才會存在量子化的磁通渦旋態 ^[3]  。“磁通量子化”指的是超導體內部磁場分佈是以磁通量的最小單元——磁通量子的形式存在，一個磁通量子為h/2e。圍繞磁通量子形成了磁通渦旋，其中磁通渦旋芯子附近是已被破壞的超導態，即有電阻的正常態，磁通渦旋邊界則仍然被超導電子所包圍。所以，在磁通量子渦旋存在的情形下，超導體的完全抗磁性已被破壞，但仍然能實現零電阻態，超導體在H_c1和H_c2之間被稱為“混合態” ^[1]  。在特定温度和磁場條件下，處於混合態下的超導體中磁通渦旋還會發生一系列的蠕動、跳躍、塑性運動、雪崩等複雜的行為，意味着產生一定的能量耗散。超導體中的磁通運動對強電強磁應用造成了巨大的困擾，但對於弱電探測和量子器件的應用又帶來了巨大的優勢。

1955-1957年間，美國物理學家約翰·巴丁(John Bardeen)、里昂·庫珀(Leon Cooper)和約翰·施隸弗(John Schrieffer)提出了描述常規金屬合金超導體的微觀理論，後以他們名字首字母命名為BCS理論 ^[16]  。該理論認為，金屬中兩個自旋相反且動量相反的電子，可以通過交換原子晶格振動的能量量子——聲子而產生間接吸引相互作用，這些電子由此配對，稱之為庫珀電子對。由於庫珀電子對中電子得到和失去能量正好抵消，所以整體來看它們運動過程中能量沒有損耗，實現了零電阻的超導態。嚴格説來，BCS理論描述的“電子對”並不是兩個電子粘連到了一起，因為實際上庫珀電子對的空間尺度在100納米左右，是金屬原子間距的一千倍左右。這些電子對在原子晶格點陣中是相互交織在一起的，由於量子相干效應，這些電子對們會具備相同相位，從而集體凝聚成為具有能隙的低能穩定態——超導態 ^[17]  。因此，超導態屬於一種“宏觀量子態”效應，即內部導電電子整體可以看成一個宏觀量子，這個宏觀量子態的尺度是遠遠大於原子晶格點陣的間距的，所以可以實現無阻礙的電流和完全抗磁的狀態。

基於超導體的宏觀量子效應，1962年布萊恩·約瑟夫森（Brian D. Josephson）從理論上預言了超導隧道效應，後來被稱為“約瑟夫森效應”。由於超導體中的電子態由單一波函數來描述，如果將兩塊超導體用很薄的絕緣層或半導體層隔開。當絕緣層兩邊相位不同時，由於量子隧穿效應的存在，即使不加電壓也會有超導電流出現，且電流大小與相位差有關，這就是直流超導隧道效應（DC Josephson effect）；而加上交變電壓則會產生電磁振盪，其頻率和電壓成正比，這就是交流超導隧道效應（AC Josephson effect） ^[18]  。

約瑟夫森效應被預言後的三個月內，就被實驗證實。基於約瑟夫森結，可以製備超導量子干涉儀(Superconducting Quantum Interference Device，縮寫為SQUID)，對磁場的探測精度達到了10^-14 – 10^-15 T，是目前最精密的磁性探測裝置。約瑟夫森結還是超導量子比特的基本單元，利用超導電子的自旋、電荷、位相等物理性質，基於約瑟夫森結等結構可以構造出超導磁通比特、電荷比特、位相比特等量子比特單元，是超導量子芯片的基礎 ^[3]  。

超導體具有三個臨界參數：臨界轉變温度T_c、臨界磁場強度H_c、臨界電流密度J_c。當且僅當超導體同時處於三個臨界參數範圍之內時，才顯示出零電阻和完全抗磁性的超導電性。

（1）臨界轉變温度T_c：當温度低於臨界轉變温度T_c時，材料處於超導態；超過臨界轉變温度T_c，超導體由超導態恢復為有電阻正常狀態，即正常態。

（2）臨界磁場強度H_c：當外界磁場強度超過臨界磁場強度H_c時，超導體由超導態恢復為正常態。臨界磁場強度H_c與温度有關，關係式如下：

（3）臨界電流密度J_c：當通過超導體的電流密度超過臨界電流密度J_c時，超導體由超導態恢復為正常態。臨界電流密度J_c與温度、磁場強度均有關，且受到材料特性的影響。

超導體的分類方法有以下幾種：

（1）根據材料對於外磁場的響應分為：第一類超導體和第二類超導體。從宏觀物理性能上看，第一類超導體只存在單一的臨界磁場強度H_c，一旦高於該磁場，零電阻態和完全抗磁性將會同時被破壞；第二類超導體有兩個臨界磁場：下臨界場H_c1和上臨界場H_c2，在兩個臨界磁場之間，允許部分磁場穿透進入材料內部，此時完全抗磁性被破壞，但零電阻仍然可以保持，當進一步增加磁場達到H_c2時，材料被磁場完全覆蓋，零電阻也被徹底破壞 ^[1]  。

在已發現的單質金屬超導體中，存在許多第一類超導體，其中釩、鈮、鍀等則屬於第二類超導體；大部分合金和化合物超導體都屬於第二類超導體，一些銅氧化物高温超導材料屬於極端第二類超導體 ^[19]  。

（2）根據理論解釋分為：常規超導體（可以用基於電子-聲子耦合配對的BCS理論解釋）和非常規超導體（不能用傳統BCS理論來解釋）。目前，非常規超導體的微觀機理並不清楚 ^[3]  。

（3）根據臨界温度分為：低温超導體和高温超導體。這裏低温和高温只是相對而言。早期發現的超導體大部分超導臨界温度都在20K以下，在發現Nb₃Ge(T_c=23.2 K)之後有人稱20 K以上的超導體為“高温超導體”。而後，低温和高温超導體的界限又改為30K，如今一般默認低温和高温超導體的分界線為40K。，這主要是因為根據傳統BCS 理論，可以外推出金屬合金類的超導體存在一個極限温度，即所謂“麥克米蘭極限”（40K）。目前為止，在常壓條件下，科學家們發現的所有滿足傳統BCS理論描述的超導體的臨界温度都低於40K，僅有銅氧化合物和鐵基超導體可以在常壓下突破40K，它們也被統稱為“高温超導體”。而在高壓下，40K的上限並不存在，例如金屬富氫化物，即使是BCS超導體也能達到200K以上 ^[3]  。

（4）根據材料類型：元素超導體（如鉛、汞、鋁等）、合金超導體（如鈮鈦合金）、金屬間化合物超導體（如MgB₂、CrAs等）、氧化物超導體（如釔鋇銅氧、鑭鐵砷氧氟）、有機超導體（如K₃C₆₀）和重費米子超導體（如CeCu₂Si₂、CeCoIn₅等）等 ^[1]  。

1911年，荷蘭科學家卡末林·昂尼斯用液氦冷卻汞，當温度下降到4.2K（﹣268.95℃）時 ^[9]  ，汞的電阻完全消失，昂尼斯將這種現象稱為超導電性 ^[20]  。昂尼斯因氦氣液化和超導的發現而獲得1913年諾貝爾獎。

1933年，沃爾特·邁斯納和他的學生羅伯特·奧森菲爾德發現超導體具有完全抗磁性，後人稱之為“邁斯納效應” ^[13]  。

卡末林·昂尼斯當時測量金屬Pt的電阻數據、發現汞超導的實驗記

1930年左右，科學家們發現常壓下最高臨界温度的單質是金屬鈮(9 K)，繼而在鈮的化合物中尋找超導。後來發現氧化鈮、碳化鈮和氮化鈮都是超導體，特別是NbC_0.3N_0.7的臨界温度達到了17.8 K，幾乎是單質鈮臨界温度的兩倍 ^[3]  。

1935年 德國人倫敦兄弟提出了一個超導電性的唯象理論，這被稱為倫敦方程，它給出了磁場在超導體表面存在“穿透深度”這一重要概念 ^[14]  。

1947年，英國的皮帕德修正了倫敦方程的缺陷，並在此基礎上提出了超導序參量空間分佈的特徵長度概念，稱之為“超導關聯長度” ^[21]  。

1950年，蘇聯科學家金茲堡和朗道基於熱力學二級相變理論，建立了超導的唯象方程，稱之為金茲堡-朗道方程，簡稱GL方程 ^[16]  。GL方程成功解釋超導熱力學相變現象，並給出相變附近內部磁場和電場分佈。1952-1957年間，另一位蘇聯科學家阿布里科索夫成功解出了強磁場下的GL方程，發現超導體內部磁場可以磁通渦旋點陣的形式存在，並根據界面能的正負將超導體劃分成兩類，即具有一個臨界磁場的第一類超導體和具有兩個臨界磁場的第二類超導體 ^[17]  。

從1954年起，直到1962年，為了證實超導體電阻為零，科學家將一個超導金屬圓環置於低温環境中，利用電磁感應使環內激發起感應電流，並監測電流誘導的磁場變化。在數年時間內的電流一直沒有衰減，這説明圓環內的電能沒有損耗。根據當時儀器測量精度推斷，超導體的電阻率上限應該小於10^-23 Ω‧cm，之後該上限進一步被推進到小於10^-28 Ω‧cm，這遠遠比銅的電阻率（大於 10^-9 Ω‧cm）要小得多，説明超導體電阻是絕對的零。

1954年-1973年，美國貝爾實驗室的伯納德·馬蒂亞斯(Bernd Theodor Matthias)等發現一系列具有所謂A15相結構的超導體：Nb₃Ge(23.2 K) 、Nb₃Ga (20.3 K)、 Nb₃Si(19 K) 、 Nb₃Sn(18.1 K)、 Nb₃Al(18 K) 、 V₃Si (17.1 K)、 Ta₃Pb(17 K) 、 V₃Ga(16.8 K)、 Nb₃Ga(14.5 K)、 V₃In(13.9 K)等，其中Nb₃Ge的超導臨界温度23.2 開爾文，創下當時的最高記錄 ^[22]  。馬蒂亞斯據此提出了實驗探索更高臨界温度超導材料的六條法則，他將20K以上的超導體就命名為“高温超導體” ^[23]  。

1957年，美國物理學家巴丁, 庫珀與施隸弗三人發表文章，首次用所謂的“庫伯電子對相干凝聚”來解釋超導電性。這個理論以三人名字的首字母命名，被稱為BCS理論。他們認為：在超導態金屬中電子以晶格振動為媒介相互吸引而形成電子對，無數電子對相互重疊又常常互換搭配對象形成一個整體，電子對作為一個整體的流動產生了超導電流。由於拆開電子對需要一定能量，因此超導體中基態和激發態之間存在能量差，即能隙。這一重要的理論預言了電子對能隙的存在，成功地解釋了超導現象，被科學家界稱作“BCS理論” ^{[18]  [19]}  。這一理論的提出標誌着超導微觀理論的正式建立，使超導研究進入了一個新的階段。

1960年，理論物理學伊利希伯格(G. M. Eliashberg)基於BCS理論的基本框架，充分考慮了電子配對過程的延遲效應和聲子強耦合機制，提出了一個複雜的關於超導臨界温度的模型 ^[24]  。1965年，威廉•麥克米蘭(William L. McMillan)在此基礎上進行了簡化近似，得到了一個更為直接的超導臨界温度經驗公式，其中決定性參量就是電子-聲子的耦合參數和聲子的態密度 ^[25]  。科恩和安德森將麥克米蘭的經驗公式進行外推，發現滿足傳統BCS理論的超導體的臨界温度存在一個40K左右的上限，後來被稱之為“麥克米蘭極限” ^[26]  。麥克米蘭極限僅適用於常壓下的超導體，目前發現的幾乎所有常壓下的常規BCS超導體都未能突破該極限。

1962年，劍橋大學研究生布萊恩·約瑟夫森（Brian D. Josephson）從理論上預言了超導隧道效應，後來被稱之為約瑟夫森效應。電子能借助量子隧穿效應通過兩塊超導體之間薄絕緣層，在不加外界電壓情況即出現超導電流（直流約瑟夫森效應），或在加交變電壓下出現電磁振盪行為（交流約瑟夫森效應） ^[20]  。實際上，早在1960年賈埃沃就已在鋁/氧化鋁/鉛複合薄膜中觀測到了超導隧道電流，不過並沒意識到是約瑟夫森效應 ^[27]  。在約瑟夫森做出理論預言後不久，安德森和羅厄耳等在錫/氧化錫/錫薄膜結構的實驗中完全證實了約瑟夫森的預言 ^[28]  。這一重要發現為超導體中電子配對現象提供了證據，使對超導現象本質的認識更加深入。如今，約瑟夫森效應已成為微弱電磁信號探測、超導量子比特和其他電子學應用的基礎。約瑟夫森和賈埃沃因超導隧道效應的發現一起獲得了1973年的諾貝爾物理學獎。

1964年，第一個氧化物超導體SrTiO₃(鈦酸鍶) 被發現，其臨界温度為0.35 K，距離BCS微觀理論的建立僅7年 ^[29]  。

1973年，發現Nb₃Ge超導合金被發現，其臨界超導温度為23.2K（﹣249.95℃），這一記錄保持了近13年 ^[30]  。

1975年，第一個類鈣鈦礦結構的氧化物超導體BaPb_1-xBi_xO₃被發現，臨界温度為17 K ^[31]  。

1975年，第一個重費米子材料CeAl₃被發現，它的比熱係數達到了1620 mJ/mol·K²，即電子的有效質量是自由電子的1000倍以上 ^[32]  。

1979年，德國科學家弗蘭克·斯泰格利希（Frank Steglich）在重費米子材料CeCu₂Si₂中發現了0.5K的超導電性， CeCu₂Si₂的電子比熱係數約為1100 mJ/mol·K²，是第一個重費米子超導體 ^[33]  。此後，科學家們在UBe₁₃、UPt₃、CeIn₃、CeCoIn₅等材料中發現了類似的重費米子超導現象 ^[34]  。

1979-1980年，丹麥科學家Klaus Bechgaard與法國合作者們在有機鹽(TMTSF)₂PF₆中發現了0.9 K的超導電性，壓力為1.2 GPa，這是第一個有機超導體。37 38

1986年，瑞士IBM公司的柏諾茲(Johannes Georg Bednorz)和繆勒(Karl Alexander Müller )發現一種成分為鋇-鑭-銅-氧（Ba-La-Cu-O）的陶瓷性金屬氧化物Ba_xLa_5-xCu₅O_5(3-y) (x=0.75)具有高温超導性，臨界温度可達35K（﹣238.15℃），打破了Nb₃Ge超導合金的臨界温度記錄 ^[35]  。由於過渡金屬氧化物通常是絕緣體，在其中實現金屬導電性並發現超導現象的意義重大，繆勒和柏諾茲因此而榮獲了1987年度諾貝爾物理學獎。此後，高温超導的研究迅速發展 ^[36]  。

1986年底，日本科學家內田(Shin-ichi Uchida)等人也成功做出了Ba-La-Cu-O體系材料，並且補上了另一個超導的證據——抗磁磁化率，不過抗磁的體積分數僅有10%左右。日本科學家認為這個材料的主要成分是La_1-xBa_xCuO₃加上少量的(La_1-xBa_x)₂CuO₄，後者被研究證明是正確的化學式 ^[37]  。

1987年初，中國科學院物理研究所趙忠賢研究團隊和美國休斯頓大學各自獨立在鋇－釔－銅－氧（Ba-Y-Cu-O）體系發現超導電性，把超導臨界温度記錄從Ba-La-Cu-O體系中的35 K，迅速提升到90 K（﹣185.15℃）以上，打破液氮的“温度壁壘”（77K） ^{[38]  [39]}  。Ba-Y-Cu-O材料中超導的主要成分來自於YBa₂Cu₃O_7-δ，又稱123型銅氧化物超導材料，由美國貝爾實驗室的卡瓦（R.J. Cava）等人確認 ^[40]  。

1987年12月，在鉍－鍶－鈣－銅－氧（Bi-Sr-Ca-Cu-O）體系中發現了110 K（﹣163.15℃）的超導 ^[41]  。

1988年1月，在鉈－鋇－鈣－銅－氧（Tl-Ba-Ca-Cu-O）體系中發現了125 K（﹣148.15℃）的超導 ^[42]  。

1991年3月，日本住友電氣工業公司展示了世界上第一個超導磁體。

1991年10月，日本原子能研究所和東芝公司共同研製成以鈮、錫化合物製作的核聚變堆用超導線圈。該線圈電流密度達到每平方毫米40安培。

1993年1月，在汞－鋇－鈣－銅－氧（Hg-Ba-Ca-Cu-O）中發現了134 K（﹣139.15℃）的超導 ^[43]  。之後，常壓下的超導臨界温度記錄長期處於停滯狀態，也出現過多次“烏龍事件”，號稱獲得了T_c=155-160 K的Y-Ba-Cu-O等材料，都因數據結果無法重複而被否決。通過對銅氧化物材料施加高壓，臨界温度還有上升的空間，目前高壓下最高臨界温度記錄是165 K（﹣108.15℃），由朱經武研究團隊在汞－鋇－鈣－銅－氧體系中所創造 ^[44]  。大量銅氧化物超導材料可以在常壓下突破40K的麥克米蘭極限，它們從而被統稱為“高温超導體”，40K也成為劃分低温超導體和高温超導體的新界限 ^[49]  。

1996年，歐洲電纜巨頭皮雷利電纜公司、美國超導體公司和舊金山的電力研究所共同製成第一條地下高温超導輸電電纜，電纜長6000米，由纏繞鉍－鍶－鈣－銅－氧系超導材料的液氮空管制成。

2001年一系列硼化物超導體被發現，如La₃Ni₂B₂N₃、YNi₂B₂C、LaPd₂B₂C等，超導臨界温度從12到23 K不等，它們後來被證實都是常規BCS超導體 ^[45]  。另一個具有八面體鈣鈦礦結構的超導體MgCNi₃被發現，T_c約為7 K。人們起初懷疑它是否具有磁有序或者磁漲落，可能屬於非常規超導體，最終確認它仍然是常規BCS超導體 ^[46]  。

2001年，日本的秋光純(Jun Akimitsu)報道了具有簡單二元結構的MgB₂中存在39K的超導電性 ^[47]  。該超導體是第一個被證實的“多帶超導體”，即有多個費米麪和能帶參與了超導電性的形成。後來研究表明，它仍是一個常規BCS超導體，其臨界温度至今未能突破麥克米蘭極限。

2001年4月，340米鉍系高温超導線在清華大學應用超導研究中心研製成功，並於年末建成第一條鉍系高温線材生產線。

2001年5月，北京有色金屬研究總院採用自行設計研製的設備，成功地製備出國內最大面積的高質量雙面釔鋇銅氧超導薄膜，達到國際同類材料的先進水平。

2008年2月，日本的細野秀雄（Hideo Hosono）研究組宣佈在F摻雜的LaOFeAs（後寫作LaFeAsO）中發現26 K的超導電性 ^[48]  。同年3月份，中國的趙忠賢、陳仙輝、王楠林、聞海虎、許祝安等研究團隊通過稀土替換，成功將該結構體系的超導臨界温度提升到40 K以上，並創下塊體超導55 K的記錄 ^[49]  。麥克米蘭極限再次被打破，新一類高温超導家族——鐵基超導體宣告發現。鐵基超導體具有非常龐大的材料家族，中國科學家羣體在關於其材料探索、物性研究、微觀理論和強電應用等研究居於世界前列 ^[50]  。如2010年發現的A_xFe₂Se₂系列超導體 ^[51]  ，2012年發現單層FeSe薄膜的界面超導現象 ^[52]  , 2014年發現新型(Li_1-xFe_x)OHFeSe 超導體 ^[53]  。

2014年，中國科學院物理研究所的程金光、雒建林等人發現第一個Cr基高壓超導體CrAs，臨界温度為2 K，壓力為 8 kbar ^[54]  。

2015年4月，浙江大學系曹光旱研究組發現第一種常壓下的鉻基砷化物超導體K₂Cr₃As₃，臨界温度為6.1 K ^[55]  。同年，中國科學院物理研究所的程金光、雒建林等人發現第一個Mn基高壓超導體MnP，臨界温度為1 K，壓力為 8 GPa ^[56]  。

2015年， 德國的A. P. Drozdov和M. I. Eremets宣佈在硫氫化物中發現203 K 超導零電阻現象，但需要施加高壓到220 萬個大氣壓 ^[57]  。這個數值突破了銅氧化物材料保持多年的164 K記錄，意味着高壓下輕元素化合物中存在高温超導。該研究是是理論預言超導電性的重要成功案例，此前幾乎無法精確預言新超導材料的結構和臨界温度。

2016年，中國科學院電工研究所的馬衍偉團隊成功研製出全球首根100米量級鐵基超導長線 ^[58]  。這是鐵基超導材料從實驗室研究走向產業化進程的關鍵一步，標誌着我國在鐵基超導材料技術領域的研發走在了世界最前沿。2018年，中國科學院高能物理研究所和電工研究所合作，基於超導帶材短樣研製出鐵基超導內插螺線管線圈，成功在24T的強磁場下獲得較高臨界電流，用實驗驗證了鐵基超導材料高場應用的可行性 ^[59]  。2020年，中國科學院強磁場中心在高達30T的強磁場背景下的測試進一步驗證了此結果 ^[60]  。實驗測試表明鐵基超導線圈在高場下應用具有其獨特的優越性。

2018年，美國的曹原和Pablo Jarillo-Herrero發現雙層“魔轉角”的石墨烯在門電壓調控下可以出現1 K左右的超導電性 ^[61]  。其中和超導相關的物理特性與銅氧化物高温超導非常類似，從而有可能在乾淨的二維材料中完美模擬高温超導現象。該發現推動了基於二維材料調控的超導電性的研究，超導探索邁入人工設計和原子改造的新時代。

2019年，中國科學院電工研究所王秋良團隊採用自主研發的低温超導+高温超導內插磁體技術，研製成功中心磁場高達32.35 T的全超導磁體，打破了2017年美國國家強磁場實驗室創造的32 T世界記錄 ^[62]  。

2019年，德國的A. P. Drozdov和M. I. Eremets等宣佈La-H化合物在150萬個大氣壓可以實現215K的超導電性 ^[64]  ，美國的M. Somayazulu研究組緊接着宣佈LaH₁₀在190 萬個大氣壓下可以出現260 K以上的超導 ^[63]  。這是目前超導臨界温度的最高記錄，相當於零下13攝氏度。

2019年，美國斯坦福大學的H. Hwang和李丹楓等人在Nd_0.8Sr_0.2NiO₂薄膜樣品實現15 K左右的超導電性，第一個鎳基超導體宣佈被發現 ^[65]  。

2020年12月，美國加州大學聖芭芭拉分校的S. D. Wilson團隊宣佈在具有籠目結構的AV₃Sb₅ (A = K, Rb, and Cs)體系發現2.5K左右超導電性 ^[66]  。

2021年1月，由西南交通大學研發的高温超導高速磁懸浮工程樣車在成都下線，這是世界上首款採用高温超導技術的1:1磁浮工程樣車，其懸浮高度為10-20毫米，每米最大承載能力為3噸，車輛長度為21米 ^[67]  。

2022年，中國科學院物理研究所與電工研究所合作在懷柔綜合極端條件實驗裝置建成了26 T全超導高場核磁共振和30T高場量子振盪測試系統，是目前亞洲的用户裝置中磁場最高的全超導磁體 ^[68]  。

2023年3月，由中國中車自主研製的國內首套高温超導電動懸浮系統在長春中車長客公司完成首次懸浮運行，該系統同樣可以實現自懸浮、自導向、自穩定 ^[69]  。

2023年4月，由江西聯創光電超導應用有限公司研製的世界首台兆瓦級高温超導感應加熱裝置在中鋁東輕公司正式投用，將傳統工頻感應爐的能效轉化率提升一倍 ^[70]  。

2023年7月，中山大學物理學院王猛團隊宣佈在La₃Ni₂O₇單晶樣品中發現高壓誘導的約80 K超導電性（壓力為14 GPa） ^[71]  ，鎳基超導體臨界温度正式突破了液氮温區 ^[72]  。

汞的超導電性並不是特例，實際上很多金屬單質在低温下都可以超導，一部分非金屬單質在高壓下也可以超導，它們被統稱為“元素超導體”。常見的金屬超導體有：錫（Sn）Tc=3.7 K，鉛（Pb）Tc=7 K，鋅（Zn）Tc=0.85 K，鋁（Al）Tc=1.2 K，鉭（Ta）Tc=4.5 K，鈮（Nb）Tc=9 K等。一些金屬在常壓下難以超導，但在高壓下可以超導，如鹼土金屬鈣（Ca）、鍶（Sr）、鋇（Ba）等，其中鈣在216 GPa下Tc=29 K ^[73]  。許多非金屬如硅（Si）、硫（S）、磷（P）、砷（As）、硒（Se）等也可以在高壓下實現超導。金屬氫是理論預言的室温超導體，但目前尚未能實現。元素週期表中不超導的一些單質包括：活性很低的惰性氣體，磁性很強過渡金屬和大部分稀土元素（如錳、鈷、鎳、鐠、釹、鋱、鏑、鈥、錒等），一些放射性很強或不穩定的元素（如釙、鈁）等。有意思的是，室温下導電性很好的金、銀、銅三個元素均不超導，根據BCS理論計算，可以發現這三個元素中電子-聲子耦合強度太弱，以至於即使超導，Tc也可能在0.00001 K附近，目前實驗技術並不能使塊體材料降到如此低温 ^[3]  。常壓下最高臨界温度的元素超導體是鈮（Tc=9K），人們也一直在嘗試在高壓下打破元素超導體的臨界温度記錄。2022年，中國科學院物理研究所的靳常青團隊發現元素鈦的Tc在248 GPa下可達26K以上 ^[74]  ，2023年，他們又發現元素鈧在283 GPa下Tc可達32K以上 ^[75]  ，同年，中國科學技術大學的陳仙輝團隊也在元素鈧中實現了36K以上的超導電性（壓力為260 GPa） ^[76]  ，這是目前元素超導體最高的臨界温度記錄。

基於常壓下最高Tc的元素超導體——鈮，人們嘗試在Nb和其他金屬或非金屬的合金材料中尋找更高温度的超導材料，並由此啓發了一系列類似化合物超導體的發現。如NbO Tc=1.4 K，NbC Tc=15.3 K，NbN Tc=16 K，Nb3Al Tc=18.8 K，Nb3Ga Tc=20.3 K，Nb3Si Tc=18 K，Nb3Ge Tc=23.2 K等 [3]。其中有着和Nb3Sn（Tc=18.1 K）類似結構（A15相）的材料高達60餘種之多。儘管目前發現的超導材料已有千千萬萬種，但應用最為廣泛的還是Nb-Ti（Tc約為9K）、Nb3Sn、Nb3Ge、Nb3Al等合金超導體。其中Nb-Ti具有非常優異的機械性能，是絕大部分超導磁體的首選材料之一，在高壓下其臨界温度可提升到19K左右，且直到261.7GPa的壓力下仍保持零電阻效應 ^[77]  。二硼化鎂是常壓下Tc最高的常規合金超導體，為39K，在摻雜和高壓下可達39.5K左右，非常接近麥克米蘭極限[52]。科學家們合成了數百種硼化物，其中有不少是超導體（如YRh4B4、La3Ni2B2N3、YNi2B2C、LaPd2B2C、Li2Pt3B、Ru7B3、Mg10Ir19B16、FeB4、ZrB12、BeB6），不過大部分Tc都低於10K。2023年，上海科技大學的齊彥鵬課題組在二硼化鉬（MoB2）中發現Tc高達32 K的超導電性，是目前過渡金屬硼化物超導臨界温度的最高記錄 ^[78]  。大部分金屬合金超導體都是常規BCS超導體，它們的臨界温度都沒有突破麥克米蘭極限。

重費米子材料指的是材料內部導電電子的有效質量非常大，是普通自由電子的幾百上千倍，主要是一些磁性稀土化合物。1975年，第一個重費米子材料CeAl3被K. Andres、J. E. Graebner、H. R. Ott等人發現。1979年，德國科學家Frank Steglich 在重費米子材料CeCu2Si2中發現了0.5 K超導電性；1983年， H. R. Ott與Zachary Fisk、J. L. Smith等人發現第二個重費米子超導體UBe13，Tc=0.9 K；1984年，Zachary Fisk，J. L. Smith和Gregory Stewart發現第三個重費米子超導體UPt3，Tc=0.5 K[3]。此後，越來越多的含有磁性稀土重離子的重費米子超導體被發現，如Ce、Pr、Yb、U、Np、Pu、Am等金屬合金化合物。重費米子超導體的元素成分按照原子比例有122、115、218、113、127、235、123、111等不同體系，例如：CeCu2Si2、 CeCoIn5、CeIn3、Ce2RhIn8、PrOs4Sb12、YbAlB4、UBe13、UPt3、UCoGe、NpPd5Al2、PuCoGa5等。絕大部分重費米子材料的Tc在1 K以下，其中Pu系臨界温度最高，PuInGa5的Tc為8.7 K，PuCoGa5的Tc為18.5 K ^[79]  。磁性在大部分重費米子超導體中扮演着重要角色，因此它們一般都屬於非常規超導體 ^[80]  。2020年，浙江大學的袁輝球團隊首次在純淨的重費米子化合物CeRh6Ge4中發現鐵磁量子臨界點，並且觀察到奇異金屬行為 ^[81]  。

1964年，物理學家Little基於BCS理論提出了他的理論預言，在某些具有高度極化懸掛鏈的導電聚合物中可能存在1000 K以上的超導電性 ^[82]  ，由此啓發人們在有機導體中尋找超導電性，例如TCNQ (四氰代對苯醌二甲烷)、TMTSF (四甲基四硒酸富烯)等。1979年底-1980年初，丹麥科學家Klaus Bechgaard 發現了首個有機超導體(TMTSF)2PF6，Tc=0.9 K，壓力為1.2 GPa ^[37]  。此後物理學家們在這一類稱為“Bechgaard鹽”的材料體系中發現了諸多有機超導體，如(TMTSF)2SbF6 (Tc =0.4 K)、(TMTSF)2AsF6 (Tc =1.1 K)、(TMTSF)2NbF6 (Tc =1.3 K)、(TMTSF)2TaF6 (Tc =1.4 K)、(TMTSF)2FSO3 (Tc =3 K)、(TMTSF)2 ReO4 (Tc =1.2 K)、(TMTSF)2 ClO4 (Tc =1.4 K)等。準一維的有機超導體還包括TMTTF(二硫代四硫富瓦烯)家族，如：(TMTTF)2SbF6 (Tc =2.8 K)、(TMTTF)2PF6 (Tc =1.8 K)、(TMTTF)2BF4 (Tc =1.4 K)、(TMTTF)2Br (Tc =1 K)、(BEDT-TTF)2 ReO4 (Tc =1.4 K)等。二維有機超導體家族有：β-(ET)2I3 (Tc =1.5 - 8.1 K)、β-(ET)2AuI2 (Tc =4.9 K)、α-(ET)2KHg(SCN)4 (Tc =0.3 K)、κ-(ET)2Cu[N(CN)2]Cl (Tc =12.8 K)、κ-(ET)2Cu[N(CN)2]Br (Tc =11.2 K)、κ-(ET)2Cu(NCS)2 (Tc =10.4 K)、κ-(ET)4Hg2.89Cl8 (Tc =1.8 K)、κ-(ET)2Ag(CF3)4•TCE (Tc =11.1 K)、(BETS)2FeCl4 (Tc =5.5 K)、λ-(BETS)2GaCl4 (Tc =8 K)等。這些TMTSF、TMTTF、BO、ET、BETS為基的有機超導體均屬於“施主有機超導體”(主動貢獻導電電子) ^[38]  。而諸如C60、石墨/石墨烯、碳納米管、多環芳烴、金剛石等材料需要通過摻雜鹼金屬或鹼土金屬來獲得導電電子，又被稱為“受主有機超導體”。受主有機超導體有：Rb3C60 (Tc =29 K)、K2CsC60 (Tc =24 K)、Rb2CsC60 (Tc =31 K)、RbCs2C60 (Tc =33 K)、K2RbC60 (Tc =21.5 K)、K5C60 (Tc =8.4 K)、Sr6C60 (Tc =6.8 K)、(NH3)4Na2CsC60(Tc =29.6 K)、(NH3)K3C60 (Tc =28 K)、Cs3C60 (Tc =38 K)、KC8 (Tc =0.15 K)、LiC2 (Tc =1.9 K)、CaC6 (Tc =11.5 K)、SrC6 (Tc=1.65 K)、YbC6 (Tc =6.5 K)、菲(Tc =5 K)、苉(Tc =18 K)、二苯並五苯(Tc =33 K)等 ^{[3]  [83]}  。

銅氧化物超導體主要指的是一類含有Cu-O面基本結構的超導家族，又稱銅酸鹽超導體或銅基超導體。銅氧化物超導體是首個常壓下Tc可以突破40 K麥克米蘭極限甚至進入77K以上液氮温區的材料。1986年，柏諾茲和繆勒在BaxLa5-xCu5O5(3-y) (後確證結構為La2-xBaxCuO4)中發現了35K的超導電性 ^[39]  ；1987年，趙忠賢、吳茂昆、朱經武等人在BaxY5-xCu5O5(3-y) (後確證結構為YBa2Cu3O7-δ)中發現90K以上的超導電性 ^{[42]  [43]}  。隨後，科學家們在更多銅酸鹽類材料中發現了超導體，按照主要元素組成可以分為Hg系、Bi系、Tl系、Y系、La系等；按照載流子類型可以分為空穴型和電子型兩種；按照含有Cu-O面數目可以分為單層、雙層、三層、無限層等。例如Hg系包括Hg-1234 (HgBa2Ca3Cu4O10+δ, Tc =125 K)、Hg-1223 (HgBa2Ca2Cu3O8+δ, Tc =134 K)、Hg-1201 (HgBa2CuO4+δ, Tc =95 K)等，Bi系包括Bi-2201 (Bi2Sr2-xLaxCuO6+δ, Tc =35 K)、Bi-2212 (Bi2Sr2CaCu2O8+δ, Tc =91 K)、Bi-2223 (Bi2Sr2Ca2Cu3O10+δ, Tc =110 K)等， Tl系包括類似Hg和Bi系的結構Tl-2201 (Tl2Ba2CuO6+δ, Tc =95 K)、Tl-2212 (Tl2Ba2CaCu2O6+δ, Tc =118 K)、Tl-2223 (Tl2Ba2Ca2Cu3O10+δ, Tc =128 K)、Tl-1234 (TlBa2Ca3Cu4O11+δ, Tc =112 K)、Tl-1223 (TlBa2Ca2Cu3O9+δ, Tc =120 K)、Tl-1212 (TlBa2Ca Cu2O7+δ, Tc =103 K)等，Y系包括Y-123 (YBa2Cu3O7-δ, Tc =94 K)和Y-124 (YBa2Cu4O7+δ, Tc =82 K)，La系包括LaSr-214 (La2-xSrxCuO4, Tc =40 K)和LaBa-214 (La2-xBaxCuO4, Tc =30 K)，此外還有Ca1-xSrxCuO2 (Tc =110 K)、Nd2-xCexCuO4-δ (Tc =30 K)、Pr1-xLaCexCuO4-δ (Tc =24 K)、Ca2Na2Cu2O4Cl2 (Tc =49 K)等 ^[48]  。目前，Hg-1223保持了常壓下超導臨界温度最高記錄（Tc =134 K) ^[47]  。

鐵基超導體指的是一類主要含鐵元素的超導家族，包括鐵砷化物、鐵硒化物、鐵硫化物等三類不同的鐵基超導體。2006年，日本東京工業大學的細野秀雄（Hideo Hosono）團隊發現LaOFeP存在3K左右的超導電性 ^[84]  ，2007年他們又發現LaONiP也是超導體 ^[85]  ，隨後2008年在LaO1-xFxFeAs(後更正為LaFeAsO1-xFx)中發現26K的超導電性 ^[53]  。實際上，含Fe的超導體早就存在，例如U6Fe、Fe3Re2、Fe3Th7、Lu2Fe3Si5、LaFe4P12、YFe4P12等，純Fe在高壓下有2K左右的超導電性。一系列鐵砷化物超導體在2008年之前就已經被發現，例如LiFeAs (1968年)、EuFe2As2 (1978年)、KFe2As2 (1981年)、RbFe2As2 (1984年)、CsFe2As2 (1992年)等，只是因為臨界温度太低，沒有引起足夠的重視 ^[3]  。

鐵基超導體系主要按照元素配比來區分，典型的鐵砷化物超導體系有：“1111”結構的LnFeAsO，其中Ln=La、Ce、Pr、Nb、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Th等稀土元素，Fe可以由Co、Ni、Rh、Pd、Ir、Pt等部分替代，As可以由P、Sb等替代，O可以由F、H等替代，可能的排列組合有上千種之多，最高Tc體系為SmFeAsO1-xFx（Tc=55K）；“111”結構的Li1-xFeAs和Na1-xFeAs等，其中Fe和As也能被相近元素替代，最高Tc為20K左右；“122”結構的REFe2As2，其中RE為鹼土金屬或鹼金屬Ba、Sr、Ca、K、Rb、Cs等，Fe和As也能被相近元素替代，最高Tc為39K左右；“112”結構的Ca1-xLaxFeAs2和EuFeAs2，最高Tc為35K左右；“1144”結構的CaKFe4As4，其中Ca位還可以是Sr、Ba、Eu等，K可以是Rb、Cs等，Tc在30K和38K之間；“12442”結構的KCa2Fe4As4F2、RbCa2Fe4As4F2、CsCa2Fe4As4F2、KLn2Fe4As4O2（Ln= Nd,Sm,Gd,Tb,Dy,Ho）等，Tc在32K和38K之間；“22241”結構的Ba2Ti2Fe2As4O，Tc=21K；“21311”結構的Sr2VO3FeAs（Tc=37.2 K）和Sr2ScO3FeP（Tc=17 K） ^[86]  ；“10-3-8”結構的Ca10Pt3As8(Fe2As2)5(Tc=11 K)、(Ca1-xLax)10Pt3As8(Fe2As2)5(Tc=30 K)和(Ca1-xNax)10Pt3As8(Fe2As2)5(Tc=36.3 K)；“10-4-8”結構的Ca10Pt4As8(Fe2As2)5(Tc=25 K) ^[87]  。典型的鐵硒化物超導體系有：“11”型的FeSe（Tc=9 K）、FeSe1-xTex（Tc=14 K）、FeSe1-xSx（Tc=10 K）、FeTe1-xSx（Tc=10 K）等；“122”型的KxFe2Se、(Tl,K)xFe2Se2、RbxFe2Se2和CsxFe2Se2，其中可能存在Fe空位，對應母體結構為“245”型（如K2Fe4Se5）；“11111”型的(Li1-xFex)OHFeSe（Tc=43 K）；液氨插層型的(NH3)yAxFeSe（A=Li, Na, K, Ba, Sr, Ca, Eu, Yb）等，Tc從5 K 到40 K不等。儘管塊體FeSe的Tc只有9K，但在SrTiO3襯底上鍍上FeSe單原子層薄膜，Tc至少可達65K以上，對其進行氫離子注入、離子液體調控或有機分子插層，也能提升臨界温度到40K以上 ^[88]  。典型的鐵硫化物超導體系有：“11”型的FeS（Tc=4.5K）和“123”型的RbFe2Se3、BaFe2S3（高壓下Tc=24 K）等 ^[3]  。

鎳基超導體主要指的是含鎳的一系列氧化物超導體系，又稱為鎳酸鹽超導體或鎳氧化物超導體。早在20世紀80年代，柏諾茲和繆勒在搜尋氧化物中超導電性的時候，就注意到了SrFeO3和LaNiO3兩個材料，因為它們有可能出現金屬導電性，不是傳統的絕緣體 ^[89]  。受限於當時的材料製備條件，他們並沒有發現首個鐵基或鎳基超導體，而是轉戰到銅基材料，發現了銅氧化物高温超導體。2019年，美國斯坦福大學的研究團隊在Nd0.8Sr0.2NiO2薄膜樣品實現15 K左右的超導電性，第一個鎳基超導體的結構確定為112型的LnNiO2（Ln=La，Pr，Nd等稀土元素） ^[70]  。Nd1-xSrxNiO2被發現與銅氧化物有諸多類似的物理性質，因此很快被判定為非常規超導體。但是，112型結構的鎳基超導體塊體並不穩定，僅在薄膜狀態下超導，而且需要藉助CaH2等還原介質從113型的LnNiO3中獲得，這類材料被歸類為“無限層”結構，通用分子式為Ndn+1NinO2n+2 ^[77]  。2021年，哈佛大學的研究團隊發現Nd6Ni5O12具有13K的超導電性 ^[90]  。鎳氧化物體系還有稱為Ruddlesden-Popper相的Lan+1NinO3n+1體系，如La2NiO4、La3Ni2O7、La4Ni3O10等。2023年7月12日，中山大學的王猛團隊宣佈在La3Ni2O7單晶樣品中發現高壓誘導的約80 K超導電性（壓力為14 GPa），鎳基超導體成為第二個突破液氮温區的非常規超導家族 ^[76]  。2023年11月，來自南京大學的聞海虎團隊、上海科技大學的齊彥鵬團隊、復旦大學的趙俊團隊、中國科學院物理研究所的郭建剛團隊等宣佈在La4Ni3O10中發現高壓誘導的超導跡象，超導温度從20K到30K不等 ^[91-93]  。中國科學院物理研究所的程金光團隊於2023年11月在Pr摻雜的La2PrNi2O7-δ中實現78.2K的超導電性，並在40K以下測到了零電阻效應（壓力為15GPa） ^[94]  。越來越多的鎳基超導體不斷被發現，人們對常壓下的新型高温超導體系充滿了期待。

籠目超導體指的是一系列具有籠目（Kagome）結構的超導體系。由於籠目結構的特殊性，人們往往期待在該類結構中發現阻挫磁性、拓撲電子態、範霍夫奇點、平電子能帶等奇異量子物性，如有超導與之共存或競爭，可能出現新型的超導配對機制 ^[95]  。2020年，一系列籠目結構超導體被發現，它們是“135”型的CsV3Sb5（Tc=2.3 K）、KV3Sb5（Tc=0.93 K）、RbV3Sb5（Tc=0.75 K） ^[97]  、CsCr3Sb5（Tc=6.4 K，壓力4-8 GPa） ^[96]  、CsTi3Bi5（Tc=0.6 K， 壓力36 GPa） ^[98]  等，“166”型的AV6Sb6 (A = K, Rb, Cs，高壓下Tc約1.1 K) ^[99]  。一些類似具有籠目結構的材料則尚未發現超導電性，如V6Sb4、CsV8Sb12等 ^[100]  。

雖然金屬氫是理論預測的室温超導體，但是目前為止並沒有公認的金屬氫超導的報道。2014年12月， 德國馬克斯普朗克化學研究所的科學家Drozdov和Eremets宣佈在硫氫化物中發現 190 K 超導零電阻現象，壓力為150 GPa，到2015年8月，他們獲的了220 GPa下Tc=203 K的新記錄。此後，科學家們發現了一系列的金屬氫化物超導體，但都需要依賴於極端高壓條件。例如LaH10（Tc=250-260 K，170-188 GPa)、ThH10（Tc=161 K，175 GPa）、PrH9（Tc=9 K，154 GPa）、NdH9（Tc=4.5 K，110 GPa）、YH9（Tc=243 K，201 GPa）、YH6（Tc=227 K，237 GPa）、(La,Y)H10（Tc=253 K，183 GPa）、BaH12（Tc=20 K，140 GPa）、SnH10（Tc=70 K，200 GPa）、CeH10（Tc=115 K，95 GPa）、CeH9（Tc=100 K，130 GPa）、CaH6（Tc=215 K，172 GPa）[3]。2020年，R. Dias團隊聲稱在C-S-H體系發現288 K“室温超導”（壓力為267 GPa） ^[101]  ，2023年，他們又聲稱在Lu-H-N體系發現294 K“近常壓室温超導” （壓力為1GPa） ^[102]  ，但是這兩次報道的結果都因數據處理等問題受到廣泛質疑，最終論文被撤稿。目前為止，公認的超導臨界温度的最高記錄是LaH10，Tc=260 K，188 GPa ^[3]  。

除了銅基、鐵基、鎳基等過渡金屬氧化物超導體之外，其他的過渡金屬如鈦、鉻、錳、釕、鈮、鉭、鎢等氧化物中也有不少超導體。典型材料有：SrTiO3（Tc=0.35 K）、NaxWO3（Tc=3 K）、BaPb1-xBixO3（Tc=17 K）、Ba1-xKxBiO3（Tc=30 K）、Sr2RuO4（Tc=1.2 K）、LiTi2O4（Tc=12.4 K）、LiNbO2（Tc=5.5 K）、NaxCoO2（Tc=5 K） ^[3]  。一些金屬硫族化物也有不少超導體，如CuxTiSe2、CuxTaS2、NaxTaS2、NbSe2、LaO1-xFxBiS、Sr1-xLaxFBiS2等 ^[3]  。

2014年，第一個鉻基超導體被發現，為CrAs，T_c=2 K，壓力為 8 kbar ^[59]  。2015年，第一種常壓下的鉻基超導體被發現，為“233”結構的K₂Cr₃As₃，T_c=6.1 K ^[60]  ，後來發現Rb₂Cr₃As₃，Cs₂Cr₃As₃ 以及“133”結構的KCr₃As₃ （T_c=5 K）等也是超導體 ^[103]  。

2015年，第一個錳基超導體MnP被發現，T_c=1 K，壓力為 8 GPa ^[61]  。2022年，錳基超導家族又添新成員：AMn₆Bi₅ (A = K, Rb, Na), 高壓下最高T_c約為10 K ^[104-105]  。

超導材料具有絕對零電阻、完全抗磁性、磁通量子化、宏觀量子態等特殊物性，在強電流密度、高穩態強磁場、高靈敏度探測、高保真通訊、高效數字計算和高穩定性量子計算等多個方面，將給人類生活帶來深遠的影響。

雖然目前超導技術的應用仍然極大地受到低温物理環境的限制，但隨着應用需求的劇增、應用場景的擴展和製冷技術的迅速發展，超導技術的性價比會不斷提升到可規模實用化的程度。已有的實用化超導材料體系僅佔據目前發現的上萬種超導材料的極小一部分，如鈮、鈮鈦合金、鈮三錫、二硼化鎂、釔鋇銅氧、鉍鍶鈣銅氧、鋇鉀鐵砷等，我們仍然有諸多材料提供候選，只是需要充分考慮它們的綜合臨界參數、機械加工性能、化學穩定性和合成製備成本等方面。未來超導技術的實現，並非一定要依賴於常壓温室超導體，傳統的低温超導金屬合金、銅氧化物和鐵基高温超導體，以及一些低維、界面、複合超導體等，都各自會在不同的應用場景發揮用武之地。隨着非常規超導微觀機理的理解，越來越多的新奇量子現象會在超導材料中被發現，將為我們發掘出更多的應用潛力。

超導技術的應用主要包括強電應用和弱電應用，主要領域列舉如下：

1. 超導電力。超導電纜具備零損耗、高能效的優勢，目前已在深圳平安大廈和上海徐彙區穩定運行2年，未來在核心城市電網中將發揮重要用途。在一些“耗電大户”如數據中心、超算平台、監控中心等，超導限流器、超導變壓器、超導接頭、超導電機等都將幫助極大提高運行的效率。將普通發電機的銅繞組換成超導體繞組，可以提高電流密度和磁場強度，具有發電容量大、體積小、重量輕、電抗小、效率高的優勢 ^[106]  。 超導磁流體發電機具有效率高、發電容量大、自身損耗小等優點。

2. 超導儲能。無論未來我們採用何種能源，所需電量總是在不斷攀升的，維持電網的穩定性和電量的可持續性，需要依賴各種儲能技術。簡單的超導閉環就能實現超導儲能，因為電流在其中沒有衰減，基於超導塊材的飛輪儲能近些年也得到迅速發展。

3. 超導磁體。實現穩態強磁場的可以採用傳統的水冷磁體，但往往需要消耗大量的電力，且運行穩定性尚待提升。超導磁體具有體積小、場強高、均勻性好的特點，5-32 T的超導磁體已經在諸多科學設備中得到了廣泛的應用。在人們生活中，超導磁體技術是實現可控熱核聚變的必備技術，超導感應加熱可以極大提高金屬冶煉的效率，超導磁選礦和污水處理也有發展潛力。超導磁體對生活影響最大的就是功能核磁共振成像儀，目前醫院採用1.5 T或3T的核磁共振基本上採用的都是超導磁體。一方面是進一步推廣無液氦製冷技術，將核磁共振儀的造價和運維成本大幅降低，實現大規模的普及，普惠民眾的需求；另一方面是進一步提升磁場強度，比如達到12T甚至14T，實現對大腦神經元尺度的分辨，在健康醫療診斷和基礎科研方面取得新的突破。超導體可以用於可控熱核聚變反應堆的“磁封閉體”：核聚變反應時，內部温度高達1億攝氏度以上，沒有任何常規材料可以包容這些物質。而超導體產生的強磁場可以將熱核反應堆中的超高温等離子體包圍、約束起來，然後慢慢釋放， 受控核聚變能源是21世紀前景廣闊的新能源之一。

4. 超導磁懸浮。毫無疑問，未來生活對交通便捷的要求會越來越高。超導磁懸浮列車可以達到600公里/小時的運行速度，預計在2027年，日本從名古屋到大阪的低温超導磁懸浮線將正式投入商業運營。我國的高温超導磁懸浮技術也在不斷進步，西南交通大學和中車長客集團從不同技術路線完成了相關樣車的研製，未來還可能考慮在低真空管道中實現更加高速的超導磁懸浮列車。

5. 超導弱磁探測。超導量子干涉儀具有世界上最靈敏的磁性探測能力，僅受到量子力學基本原理的限制。它是標定了如今我們採用的電壓基準，也是各類弱磁探礦和弱磁檢測的利器。未來醫療檢查有可能採用心磁圖、腦磁圖，實現對諸如癲癇等複雜疾病的及時診斷。

6. 超導弱電探測與通訊。超導技術對電的探測也是最為靈敏的，它可以實現最為精密的單光子探測、極高頻率的諧振腔、高度保真的濾波器和混頻器等等。未來量子互聯網、空間站通訊、宇宙深空探測、暗物質和暗能量研究等都要用上它。

7. 超導數字計算。現在基於半導體技術的經典計算機，無論是性能還是能耗上都逼近瓶頸。超導數字計算是基於超導電子元器件實現的邏輯運算，效率遠高於半導體計算機，能耗卻非常低。未來，超導數字計算機技術有可能達到實用化。

8. 超導量子計算。儘管實現量子計算有很多種途徑，目前仍然是超導量子計算發展勢頭最好，更新迭代速度最快。在一些特定的數學或物理學問題上，量子計算具有不可替代的優勢。雖然目前量子計算機價格高昂，無法實現人手一台，但藉助互聯網的優勢，結合量子計算雲平台，開發出有實用價值的量子計算網絡是完全可能的。此外，一些超導材料還有可能幫助實現拓撲量子計算，意味着不再需要特別低温的環境，而且對外界干擾不敏感，穩定性要好很多，也有可能會更低成本。