实验物理学家没有放弃梦想,他们一直在努力。一点一滴的小惊喜在不断引起大家的激动。研究表明,元素周期表中许多单质在低温下都是超导体,有的需要加高压也能实现超导,这些单质炼成合金,临界温度将更高,它们统称为“金属合金超导体”;一些金属化合物中电子尽管显得“很笨重”也能实现超导,被归为“重费米子超导体”;C60和碱金属的化合物甚至一些有机材料也是超导体,被划为“有机超导体”;更令人欣喜的是,许多往往被认为导电性能很差的金属氧化物如钛氧化物、铌氧化物、铋氧化物、钌氧化物、钴氧化物等也是超导体。超导,几乎无处不在!既然“条条大路通超导”,物理学家开始了更大胆的探索,他们在通常认为是绝缘体的铜氧化物陶瓷材料中寻找可能的超导电性。1986年开始,曙光终于破雾而出。位于瑞士苏黎世的IBM公司的两名工程师柏诺兹和缪勒在镧-钡-铜-氧体系发现可能存在35 K的超导电性。尽管临界温度尚未突破40 K,但是35 K已经是当时所有超导体临界温度的新纪录,为此柏诺兹和缪勒获得了1987年的诺贝尔物理学奖。一场攀登超导巅峰之战由此拉开帷幕,其中不乏中国人和华人科学家的身影。1987年2月,美国休斯顿大学的朱经武、吴茂昆研究组和中国科学院物理研究所的赵忠贤研究团队分别独立发现在钇-钡-铜-氧体系存在90 K 以上的临界温度,超导研究首次成功突破了液氮温区(液氮的沸点为77 K)。采用较为廉价的液氮将极大地降低超导的应用成本,使得超导大规模应用和深入科学研究成为可能,赵忠贤研究团队也因此获得1989年国家自然科学一等奖。之后的十年内,超导临界温度记录以火箭般速度往上窜,目前世界上最高临界温度的超导体是汞-钡-钙-铜-氧体系(常压下135 K,高压下164 K),由朱经武研究小组于1994年所创下。由于铜氧化物超导体临界温度远远突破了40 K的麦克米兰极限,被人们统称为“高温超导体”(这里的高温,实际上只是相对金属合金超导体较低的临界温度而言)。很快,人们也认识到,铜氧化物高温超导体(或称铜基超导体)不能用传统的BCS超导微观理论来描述。要获得如此之高的临界温度,仅仅依靠原子热振动作为中间媒介形成配对电子是远远不够的。进而,人们发现重费米子超导体、有机超导体和某些氧化物超导体均不能用BCS理论来描述,尽管电子配对的概念仍然成立,但是如何配对、配对媒介和配对方式却千奇百怪。这些超导体又被统称为非常规超导体,区别于可以用BCS理论描述的常规金属合金超导体。2001年,日本科学家在二硼化镁材料中发现39 K的超导电性,这种超导材料中有多种类电子都参与了超导电子配对,又被叫做多带超导体。二硼化镁是目前为止发现的临界温度最高的常规超导体,距离40 K的上限仅一步之遥,但无论怎么掺杂或者加压都不能脱离40 K这个“紧箍咒”。
高温超导体的发现在当时沉闷的超导研究领域响起一阵春雷,人们对超导未来的发展满怀期待。然而现实总是残酷的,似乎触手可及的室温超导之梦停滞在164 K这个世界纪录上,再也难以往上挪动半步。人们试图在液氮温区大规模推广高温超导强电应用技术时,发现它实际上“中看不中用”。本质为陶瓷材料的铜氧化物在力学性能上显得脆弱不堪、缺乏柔韧性和延展性,在物理上其临界电流密度太小,容易在承载大电流时失去超导电性而迅速发热。科学家们经过20余年的工艺努力,铜氧化物超导线圈虽然已开始步入市场,但绝大部分超导强电应用还停留在常规金属合金超导体上。不过铜基超导的弱电应用目前发展迅速,利用其制备成的超导量子干涉仪是目前世界上最灵敏的磁探测技术,而用铜氧化物超导薄膜制备的超导微波器件正在走向商业化和市场化,未来世界还可能出现以超导比特为单元的量子计算机——一种基于量子力学原理的高速计算机。由于铜基超导体在非常规超导体中最为特殊,因此也具有非常重要的基础研究价值,高温超导电性的微观机理,成为凝聚态物理学皇冠上的明珠之一。挑战远远比想象中的困难,人们发现高温超导体里很多新奇物理现象可能超出了目前物理学理论体系所能理解的范畴,其中最为麻烦的就是,这类材料中电子之间存在很强的相互关联效应,成为强关联体系。经过近30年的奋斗,人们对铜基超导体取得共识的研究结论寥寥无几,更多的是充满争议和困惑。理论上来指导寻找更高临界温度超导体,近乎痴人说梦,而实验物理学家只能凭经验和感觉来大海捞针。