提要：自从第一次发现高温超导体至今已有10年了，本文描述头几年一些重大发现和领先事件的背景，并且强调了该材料的二维层状结构。在此，我们提出如何理解这些超导电性理论的思索并讨论了相应的实验进展，与此同时，还预测了高温超导材料的应用。

引 言

自从1911年荷兰科学家海克 · 卡末林 · 翁纳斯（Heike Kamerlingh Onnes）发现超导电性以来，超导电性就存在一种如何拓宽其应用的倾向：要产生超导电流的无阻流动，是电气工程师的梦想；但要使超导电性产生，必须要有几K温度的条件，然而产生这种低温，其技术难题实在令人望而生畏。

几年以后，翁纳斯发现大电流产生的磁场会破坏超导电性。例如，超导元素铅和锡其临界磁场的数值仅是数十分之一特斯拉。翁纳斯是一个实用主义者，虽然他的发现导致他荣获1913年的诺贝尔物理学奖，但他更热衷于超导电性的实际应用。其中，既包括如何提高超导体的临界温度，又包括如何戏剧性地增强临界磁场的强度。

多年以来，超导电性留下一个诡谲而含混的局面，1933年，在德国柏林工作的迈斯纳（Meissner）和奥克森菲尔德（Ochsenfeld）发现了一个十分重要的现象。他们观察到如果将材料降温到其超导相变温度以下，并同时施加磁场，磁通线就立刻会从实验材料内部突然地完全排除出去，这就是著名的迈斯纳效应。或称材料的抗磁性。

抗磁性是材料的一种能力，借以屏蔽磁场，使得其内部不受外加磁场的影响。对块状超导体而言，磁通线的完全排斥，意味着超导体本身存在完全抗磁性，这不能用如下理由去解释：如果我们从零电阻出发，应用了麦克斯韦电磁场方程去求解，最终得出的结果，将与迈斯纳效应不符；相反，完全抗磁性加上零电阻，则是超导态的基本性质。具有完全抗磁性和零电阻性的材料目前称之为第I类超导体，对于这类超导体，外加磁场一旦超过临界强度，将会使磁通线渗透超导体内部，从而破坏超导电性，具有这种性质的超导体通常是元素或者简单的合金。

上述实验，启发了二流体模型的开端。1934年，哥特尔（Gorter）建立了一个二流体模型，在该模型中，超导体内部的电子气有两种分量，一种分量不携带熵，而负载超流；另一种分量，携带所有的熵，其性质就像正常电子气一样。在超导相变温度以下，只存在超导电子而不存在正常电子，所以，电阻是零；一个相似的二流体模型适用于液氦超流，在液氦超流动性和材料的超导电性之间存在相似性。前者，相应于原子的无阻流动，而后者，则相应于电子对的无阻流动。接着，一对兄弟伦敦 · 弗里兹（London Fritz）和伦敦 · 海因兹（London Heinz），提出了超导体是如何响应外界磁场的理论解析。这是一个重要的转折点 :假定大块超导体表现两种性质，即完全导电性和完全抗磁性，而且适用于麦克斯韦方程组，伦敦兄弟预言了如下现象，除了超导体表面以外，磁通线从超导体内部完全排斥出去，表面磁场则随着特征距离指数地衰减，该特征距离目前称之为渗透长度λ。

从1950年开始，世界范围掀起了寻找新的和实用超导体的热潮，并取得了巨大进展。那些领先的研究主要由美国大型工业实验室作出，例如，贝尔电话实验室、通用电器公司和西屋电器公司，他们生产出了第Ⅱ类超导体。这些超导体以“混合态”区域所表征，在这种区域中，存在磁通线的部分渗透，而大块材料仍旧保持零电阻状态，第Ⅱ类材料在10特斯拉或者更高的磁场强度下，仍旧保持超导态。

与第I类超导体相比，第Ⅱ类超导体有更高的临界转变温度。因此，显得更有用。第Ⅱ类超导体的杰出代表有A15化合物，其中Nb₃Sn和V₃Si（铌三锡，钒三硅）均属此类。它们的转变温度分别是18.5 K和16.9 K，铌三锡在被更具韧性的NbTi（铌钛合金）取代以前，具有有限的经济价值。在一个小规模，但欣欣向荣的超导电性工业中，生产与几个特斯拉强度磁场息息相关的超导材料。在那儿，铌钛合金得到了广泛的应用。

在微观水平上，如何理解超导电性发生的问题，终于又迎来了一个可以广为接受的解释。1956年，利昂 · 库珀（Leon Cooper）迈出了关键性的一步。他发现了一个重要的概念，那就是，超导电性必须伴随电子的成对束缚，每一个电子具有相同数值但符号相反的自旋和角动量，该电子对在材料的晶格附近游弋，这种准粒子通过电子-声子相互作用而束缚在一起。其于这种想法，巴丁、库珀和斯里弗（Bardeen，Cooper和Schrieffer）（BCS）在1957年建立了他们著名的理论：超导电性通过电子-声子相互作用媒介，从库珀对产生，BCS理论可以阐明许多实验，例如，能隙2?（0）的存在。该能隙位于3.5 kTc附近，是超导电子和正常电子之间的能隙。这种预言很快被实验所证明。大量的实验宣称，能隙2?（0）值在通常的超导体中都存在。另外，BCS理论还给出了一个重要的参数，那就是相干长度ε，该长度可以视为组成库珀对两个电子之间的距离。

50年代初，俄罗斯理论物理学家，金兹堡（Ginzburg）和朗道（Landau），首先提出了相干长度的概念，他们给出超导电性的一种重要但唯象性的描写，渗透长度λ和相干长度ε是超导电性的基本物理量，这与BCS理论不谋而合。

1973年，伽伐勒（Gavaler）制备出铌三锗（Nb₃Ge）薄膜，并且观察到23.1 K的超导转变温度，该数值在液氦的沸点以上。有好几年，超导转变温度一直保待着这个记录，接下来的许多年中，生产具有更高转变温度材料的所有努力都失败了，这就产生了一种普遍的想法，也许超导转变温度的提高，不会超过25 K，关于超导电性的历史，回顾其细节，可以从托玛斯（Thomas）1990年的杰出论文中找到。关于80年代中期以前的超导电性发展，可以从记载于NATO（1985）的系列丛书中找到，该书标题为“90年代物理”。

在本世纪最后10年中，超导电性的未来将明显不同于过去的10年，暂且不说电子。声子的相互作用，那不可逆料的高温超导材料的发现，肯定是新的配对机制在起作用。由于约瑟夫森（Josephson）效应的冲击，我们可以遵循如下思路去求索：新的和不同寻常的超导材料，将继续不断地被发现，并且，充满热情地被研究，其中，超导动力学理论的研究和高强度磁场材料的开发是重点。1986年4月，工作在IBM苏黎士实验室的乔治 · 贝德诺兹（Georg Bednorz）和阿历克斯，缪勒（Alex Muller）将一篇看似乏味的论文寄给德国物理学年鉴（Zeitschrift fur physik）。该论文完全改变了世人对超导电性的看法，并把我们带入凝聚态物理最激动人心的时代。

［Contemporary Physics，Vol. 38，No. 1，1997年1-2月号］