图1：因超导研究获诺贝尔物理学奖的10位科学家
超导研究的巨大魅力
从1911年卡末林·昂尼斯发现第一个金属汞超导体以来，超导研究的历程跨越了一个多世纪，带来了无数的惊喜和发现，为物理学的发展做出了重要贡献。迄今,在200余位获得诺贝尔物理学奖的科学家中，属于凝聚态物理领域的约有60位左右，其中包括10名科学家是直接研究超导的[卡末林·昂尼斯(1913年)，约翰·巴丁、列昂·库伯、约翰·施里弗(1972年)，伊瓦尔·贾埃沃、布莱恩·约瑟夫森(1973年)，乔治·柏诺兹、亚历山大·缪勒(1987)，阿列克谢·阿布里科索夫、维塔利·金兹堡(2003) ，共5次获得诺贝尔物理学奖。见图1]。他们的工作表明，超导的魅力是如此地神奇，百余年来几乎长盛不衰。未来的超导领域，必将继续取得更多的新成果，比如人们期望的发现常压室温超导体和建立高温超导微观理论就是学界公认的“诺奖级”工作，而诸如铁基超导、重费米子超导和有机超导等非常规超导材料的发现也被寄予厚望。
图2：“材料基因图谱”与“原子制造工厂”
超导材料探索趋势
据不完全统计，目前为止人类发现的无机化合物大约有15万种，其中属于超导体的约有2万多种。超导现象普遍存在于各类材料之中的，包括金属单质、合金、金属间化合物、过渡金属与非金属化合物、有机材料、纳米材料等。有科学家甚至相信，只要温度足够低或者压力足够大，任何材料都可以成为超导体。我们所熟知的导电性最好的金属金、银、铜等，虽然它们尚且不是超导体，但根据BCS理论推测，超导温度可能在10-5 K以下，目前实验测量手段还无法达到。而金属氢的存在和可能的室温超导，至今仍然没有完全确认。
按照超导机理是否可以用BCS理论来描述，现在划分为常规超导体和非常规超导体（铜氧化物、铁砷/硒化合物、重费米子和部分有机超导体都属于非常规超导体），而高温超导体则一般定义为临界温度Tc有可能超越40 K的超导材料（起初为20 K，后改用麦克米兰极限40 K）。注意，并不是意味着所有高温超导体必须Tc > 40 K，因为掺杂组分和结构的不同，高温超导体临界温度是多变的，甚至可以消失为零。目前为止仅发现有两大高温超导家族——铜氧化物高温超导体和铁基超导体。铜氧化物高温超导最高Tc = 165 K（汞系材料在高压下），铁基高温超导最高Tc = 65 K（FeSe单原子层薄膜）。
超导材料的结构、物性、临界温度各不相同，然新超导材料的出现总是打破人们的“经验”认知。比如，母体为反铁磁绝缘体的铜氧化物被发现高温超导电性，含铁/铬/锰等磁性元素的材料中被发现非常规超导电性，而在相互作用很强的重费米子体系中也发现超导电性，等等。如此一来，理论和经验就往往失效了。随着科学技术的发展，超导探索出现了多种新颖的手段，如超高温高压合成、微纳米加工、固态/液态离子调控、化学离子交换/注入、电子浓度门电压调控等，这些新手段加快了超导材料覆盖面扩展，并结合大数据、机器学习和人工智能的应用，出现了“材料基因工程”和“原子制造工厂”（图2）。
超导机理研究方向
图3：复杂相互作用构成了我们的世界
超导机理的研究汇集了诸多顶尖智慧的科学家，而唯一获得重要成功的超导理论就是BCS理论。BCS理论中有关电子配对相干凝聚的思想，对凝聚态物理乃至原子分子物理、粒子物理、宇宙天文学等都有深远的影响。但是，对于高温超导材料，目前的理论非常之多，但被学界公认的能够描述其所有奇异物性的理论尚且没有。BCS理论仅考虑了电荷相互作用，或只考虑了电子-原子相互作用，而几乎忽略了电子之间的自旋相互作用和电子-电子之间的关联效应。既然电子既带电荷也带自旋，那么对于存在磁性有序态或强烈磁性涨落的非常规超导体而言，就必须同时考虑电子之间的电荷和自旋相互作用。目前，如何在微观机理上理解并描述这一过程是一个巨大的挑战。
从实验的角度而言，目前能够测量的几乎所有超导体，其负责超导电流的载体都是库伯电子对。也就是说，电子配对成超导的思想，几乎对所有的超导体都成立。只是，电子如何配对？配对的对称性怎样？配对有无“胶水”？配对之后如何形成超导态的？这些核心问题至今还没有确切的答案。高温超导机理被誉为是物理学领域“皇冠上的明珠”，因为对于强关联电子态物质的研究挑战了现有的凝聚态物理理论基石——朗道-费米液体理论。假如建立了高温超导微观机理模型，也许意味着人们认识自然界将不再需要从个体推广到多体，而是直接面对一群具有复杂相互作用的多体世界。前沿的数学物理学家甚至认为，世界的本质，就是相互作用，而并非是我们所意识到的物质（如基本粒子等）本身，物质是相互作用的产物，物性是相互作用的结果（图3）。那么，这种基于相互作用为研究对象的物理是什么样的新现象和新物理呢？
超导应用的未来前景
相对半导体而言，超导材料的应用十分滞后。如今的半导体芯片统治了电子世界，我们却从未见到过一件“超导家电”。对于一个超导体而言，能否适用于大电流、强磁场、无损耗的超导强电应用，需要满足临界温度、临界磁场和临界电流密度等方面的基本指标，同时材料本身的微观缺陷、力学性能、机械加工能力等也极大影响产品开发。对于弱电应用来说，则需要纯度极高、加工简单、成本低廉、品质优越的超导材料。
图4：“悬浮云”概念沙发
图5：设想的中国超导磁悬浮列车
我们仍然要抱有乐观的态度，坚信随着超导材料、机理和技术的发展，更多的超导电力、磁体、器件，必然将在未来的生活里逐步走进人们的生活里。
假如实现有机物或聚合物的室温超导，或许可以用它来织成一个“悬浮云沙发”（图4）。如果超导磁悬浮的技术成熟和成本降低，将来的高铁也许被换成时速500 公里/小时的超导磁悬浮高速列车（图5）。
图6：“D-Wave”量子退火机与“IBM Q”量子计算机
随着超导量子比特技术的迅猛发展，量子计算机已经从最早的D-Wave量子退火机发展成了诸如IBM Q那样的新型量子计算机（图6）。或许用不了几十年，我们就有可能用一台量子手机。
图7：科幻电影中基于超导可控核聚变动力的超级宇宙飞船
如果超导可控核聚变发动机被我们人类成功研制，或许可以为未来的超级宇宙飞船提供源源不断的动力，帮助人类在太空中持续飞行数百年，去寻找下一个合适的家园（图7）。
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