超導材料除了抗磁性和超導性還有什麼其它的性質？

01-04

超導材料除了抗磁性和超導性還有什麼其它的性質？
超導應該屬於凝聚態物理學的一個分支學科，那麼它的主要特性就是偏向於相對電子物質體現的超導性質但是事物從來都是相互聯繫的目前也沒有發現過理想熱力學體系，那麼超導材料在化學催化力學場等等精彩的物理世界又有什麼明顯的表現呢？
（PS:旁敲側擊是經典的科研方法，覺得這個問題很有價值，我也沒有在網上找到相關的資料。）

======我不是學物理的對這一方面僅限於理解廣泛一些深度也不足，以上僅是我的個人看法==========

首先，超導是一個極其麻煩和難做的問題。可以說屬於凝聚態領域不管是理論，還是實驗最難的問題之一。

研究超導一方面是合成各種超導材料尤其是「高溫」超導材料（其實是相對絕對零度說的，一般都是零下100多度），一般是陶瓷材料或者金屬材料。這裡面有個梗。趙春賢先生當年之所以在中國非常貧窮落後的80年代么燒出國際領先的超導陶瓷，是因為那個時候中國國產的陶瓷原料質量太差，混了其他雜質。結果摻入了其他雜質反而燒出了絕佳的陶瓷。另一個就是關於超導的理論。有五六種學說解釋超導。其中最成熟的是BCS理論（三個科學家名字的縮寫）。但是BCS解釋不了高溫超導。這裡面還有更有意思的東西。80年代瑞士人開發的最早的，高溫超導材料是用一個錯誤的理論指導開發成功的。這個地方的理論可以說根本就是一團亂麻，有點像實變函數里的黎曼猜想。

另外關於您說的超導材料的化學或者熱學性質，很抱歉我的印象中沒有這方面的論述。可能是其性質不夠典型吧。

Superconductivity authors/titles recent submissions

實際的研究根本不是你想像的拚命鑽電導率，遠超外行人的想像，不是看點科普就能想像出物理學家做了多少方方面面的研究的。

作為同樣一個外行人，給你舉幾個簡單的例子吧，咱們且不說理論物理學家計算物理學家那些比較抽象（但又高度抓住本質的）的關於超導的研究（反正更加豐富更加遠超你的想像，單超導的類別就有好幾大類，除了最基礎的常規超導以外很多都還有沒完全弄清楚的地方），

單論應用，首先你需要關注的就不僅僅是電導率，現在發現的超導材料太多了，弄個電導率為0的材料根本不稀奇，但你以為電導率為0就能應用了？再且不說相變溫度要高於液氮溫區才能比較廉價的保持超導線路輸電，再且不說如果臨界電流太低也不行，然後連材料怎麼拉絲從而廉價的製造輸電線都成問題，應用的有些問題和導電率可以沒有任何直接聯繫

再換個角度，你知道超導約瑟夫森結可以用來精密測量磁場嗎？你知道超導材料可以作為一種備選的可能的量子計算機載體而被研究嗎？

再再換個角度，你可能覺得八竿子都打不著邊的粒子物理高能物理，研究基本粒子的學科，你能想到有人想出了利用超導體的微觀性質（你說的抗磁性和超導是宏觀性質，微觀性質微觀機制複雜的微妙的多了去了）來作為精密測量暗物質的材料嗎？

作為一個外行，我只能拋磚引玉，並質疑你的找資料能力

@公子羽提到了超導除了眾所周知的輸電之外的其他層面的應用。

除了應用，對於高溫超導機理的研究也是理論界非常關注的一個方向。

正如數學家在研究費馬大定理的過程中，產生了很多新方法新思想，所以希爾伯特把費馬大定理比喻成會下金蛋的母雞。

那麼在理論物理中，也許高溫超導機制就是這個「會下金蛋的母雞」。

高溫超導研究里為了填充回答不上的提問。給出過磁有序、向列序、s波對稱、d波對稱等等寫實的概念。或者說叫做性質吧。這就是除了抗磁性和超導性以外的其它性質。目前，哪個敢說高溫超導的成對機制是達成共識的？

常規/高溫超導還有磁通量量子化必需強調。量子化不只有常見的h/2e周期，還有h/e周期。

[8] Loder, F., Kampf, A. P., Kopp, T., Mannhart, J., Schneider, C. W. Barash, Y. S. Magnetic Flux Periodicity of h/e in Superconducting Loops[J]. Nature Physics, 2008, 4(2): 112-115.

[0712.2596] Emergence of $h/e$-period oscillations in the critical temperature of small superconducting rings threaded by magnetic flux

實驗和理論相互映證的結論是BCS條件越強，載流子數越少。

[4] Bo?ovi?, I., He, X., Wu, J. Bollinger, A. T. Dependence of the critical temperature in overdoped copper oxides on superfluid density[J].Nature, 2016, 536(7616): 309-311.

[5] Tao, Y. Scaling Laws for Thin Films near the Superconducting-to-Insulating Transition[J]. Scientific Reports, 2016, 6: 23863.

曾經雙電子超導隧穿叫約瑟夫森效應。現今單電子發生超導隧穿叫啥？

[11] Cao, T. D. Possible temperature control DC switch effect between two superconductors[OL]. [2011-8-11]. [1108.2313v1] Possible temperature control DC switch effect between two superconductors

[14] Van Zanten, D. M., Basko, D. M., Khaymovich, I. M., Pekola, J. P., Courtois, H. Winkelmann, C. B. Single Quantum Level Electron Turnstile[J]. Physical Review Letters, 2016, 116(16): 166801.

即使是所謂的「傳統超導」也沒有解決理論這塊心病，今天卻要介紹一種「非傳統超導」——重費米子材料（或重電子材料）。

所謂重費米子超導「重電子材料，特指這樣一類材料，其中電子由於集體行為在低溫下具有很高的有效質量，甚至可以超過質子的質量。重費米子現象一般出現在f電子體系，但也有部分的d電子重費米子材料。這些材料往往呈現出複雜多變的奇異多體行為，如非常規超導、非費米液體、新奇量子臨界行為等等。重費米子研究導致了眾多開創性的發現，如第一個非常規超導體、第一個自旋三重態超導體、第一個三維拓撲近藤絕緣體。重費米子物理是強關聯電子研究的傳統領域，超越了傳統的朗道費米液體的理論範疇，對於探索電子複雜多體行為的物理規律具有非常重要的科學意義。」

這一段話來自重費米子研究組|科研方向，可以跟下面這張圖配合起來理解。

來自https://www.slideserve.com/edythe/superconductor-of-heavy-fermion-system

普遍認為傳統的超導機理是由於產生了電子Copper-pair，而這種庫伯對的驅動力是電子-聲子作用，而對於重電子超導這種非傳統超導體來說，產生Cooper pair的原因主要是電子的自旋/磁性漲落。一個典型的重電子超導材料是CeCu2Si2,其晶體結構以及A-type和S-type組成如下圖所見，

來自Nature Physics 7, 119–124 (2011)

S-type是超導，Tc大約只有0.6 K，無限接近量子臨界點(QCP)。CeCu2Si2的非常規超導性是1979年由德國物理學家Frank Steglich首先發現的。（原始論文：Physical Review Letters，1979，43：1892）

重費米子體系有許多有趣的性能：比如超導/反鐵磁共存(CeRhIn5)；拓撲表面態；非常規量子臨界行為，等等。下面這張圖給了重費米子超導的發展歷史，

來自重費米子材料中的反常物性（楊義峰老師）

有對重費米子超導感興趣的可以關注Shunichiro KITTAKA（東京大學橘高俊一郎實驗室）

以上

之前看過一篇Ted演講，超導體的超導特性帶來一些很有意思的屬性，進而有了一些非常有趣的應用，量子鎖定，可以支撐起相當於自己數百倍質量的物體。

附上鏈接：https://m.weibo.cn/1618051664/4169048168483429

超導的研究已經有100多年的歷史，目前超導領域已經獲得了8個諾貝爾物理學獎。零電阻特性與抗磁性是超導體的兩個基本特性，也是能直接找到應用的性質，常見的應用有：

超導電纜

德國埃森市1千米長的超導電纜。

2. 用超導線圈做成的強磁鐵，用於醫學已經大型科研設備

醫學核磁共振成像儀器，超導磁體3特斯拉

強子對撞機LHC使用了約1萬個超導磁體，超過27噸重。

3. 磁懸浮列車，基於超導抗磁性以及二類超導體的vortex pinning。

磁懸浮列車，581Km/h

現在的困境就是目前發現的超導體都需要在極低的溫度下才會進入超導態（臨界溫度很低），所以限制了超導體的應用，離我們日常生活還是比較遙遠。學術界的終極夢想當然是能找到室溫超導體，所以很多研究都是在致力於提高超導體的臨界溫度或者臨界磁場，這就與化學和材料的研究緊密相連了，很多超導材料都是做化學或材料的研究人員發現的。

超導與液氦超流一樣，都是宏觀量子物理現象，自發現以來一直是凝聚態物理的一大分支，對於超導的研究當然不單單是電學性質方面的研究。目前超導方向幾大熱門的研究包含以下幾個（排名不分先後）：

高溫超導的機理

雖然高溫超導已經被發現了30幾年，但是高溫超導的微觀機理目前還是很有爭議的，誰要是解決了這個問題，肯定又是下一個諾貝爾獎獲得者。目前主要是通過研究銅基超導體與鐵基超導體的各個相與超導的相互作用來尋找高溫超導的根源，如銅基超導體裡面的Charge Order[1], 鐵基超導體裡面的向列相[2]等等。

2. H3S高溫超導

2015年德國馬普所研究人員發現在加極高壓強下~200 GPa， H3S在~200K以下變成了超導體，這是目前超導體臨界溫度的最高記錄，而且超導的機理是傳統BCS機制[3]。

3. 拓撲超導體

在拓撲超導體中，所謂的「天使粒子」，Majorana fermions可能會以激發態的形式存在，Majorana fermions是自己的反粒子，服從非阿貝爾統計，在量子計算中有很好的應用前景。具體討論可以看看這個問題裡面的討論。如何評價中文媒體宣稱「張首晟團隊發現天使粒子」？這項工作的實際成果和意義是什麼？

4. 向列超導

也是與拓撲相關的，比較新的領域[4][5]。

5. 基於超導的量子比特

時間有限，目前想到的就這些，有空再來補充完善，有錯誤的地方歡迎指正。

[1]. From quantum matter to high-temperature superconductivity in copper oxides

[2]. What drives nematic order in iron-based superconductors?

[3]. Conventional superconductivity at 203 kelvin at high pressures in the sulfur hydride system

[4]. Thermodynamic evidence for nematic superconductivity in CuxBi2Se3

[5]. Nematic topological superconducting phase in Nb-doped Bi2Se3