超导体，作为固体物理学的一个活跃分支，它的历史只有短短的几十年，而作为一门新技术应用于各个领域，那还是近三十年的事情。但是，不足百年的发展历史，就使它发展成为一门完整的科学，并以极大的优越性应用于电机、输电、磁流体发电、高能物理等方面，在电子技术、空间技术、受控热核反应，甚至与人们生活密切相关的交通运输和医疗等方面，都展示了乐观的前景。
1987年2月25日，国内各大报刊纷纷以大字标题登出了头条新闻：我国超导研究取得重大突破！新闻中讲到，中国科学院物理研究所近日获得起始转变温度在绝对100度以上的高临界温度超导体，“这项研究成果居于国际领先地位”。从此以后，报纸、电视、广播中不断传来世界各国科学家和中国科学家在超导研究中取得重大进展的消息。一时间，像一阵旋风一样，“超导热”席卷了全世界。
当一位平素并不太为人们所了解的演员突然间走红成为明星时，人们会以极大的兴趣来关注这位明星。对于当前科学舞台上超导体这位“明星”来说，大多数人还不够熟悉。那么，到底什么是超导体？超导体的研究有什么用处？超导研究的历史中有哪些重要的里程碑？科学家又为什么会对超导的研究如此重视呢？
物体的电磁性
看看我们的周围，如今多种电器已经在家庭中普遍得到应用。当你在漆黑的夜晚坐在白炽灯明亮的光线下读书时，当你在寒冷的冬季打开了电炉取暖时，你是否想到过白炽灯的光和电炉的热是怎样产生的？
物理学的发展，使我们对带电现象的本质了解得越来越深入了。我们都知道，组成物质的原子是由带正电的原子核和绕核旋转的带负电的电子构成的。在通常情况下，原子核所带的正电荷跟核外电子所带的负电荷相等。这时，原子是中性的，整个物体也不显电性，一旦物体得到或失去一些电子，使得原子核所带的正电荷跟核外电子所带的负电荷不相等，物体就表现出了带电性。而物体按照导电能力的强弱，可以分为导体、半导体和绝缘体。导体能够导电，是因为导体内部存在着可以自由移动的电荷。比如说，金属是导体，在金属内部所有的原子都按一定的秩序整齐地排列起来，成为所谓的晶格点阵。这些原子只能在规定的位置附近作微小的振动。原子中离核较远的一些电子，容易摆脱原子核的束缚，在晶格点阵之间自由地跑来跑去，这类电子叫自由电子。如果我们把晶格点阵比做一个大的果园，原子比做果树，那么晶格中的自由电子就好像一群在果树园中随意玩耍的天真活泼的孩子。当有外力作用时，自由电子便按一定的方向移动，形成电流。这就好像一声铃响，果树园中自由玩耍的孩子们，都向着一个方向跑去时一样。
玻璃、橡胶、塑料等不容易导电，我们称为绝缘体。在它们内部，绝大部分电荷都只能在一个原子或分子的范围内作微小移动，这种电荷叫束缚电荷。由于缺少自由移动的电荷，所以，绝缘体的导电能力差。
还有一类物体，像锗、硅以及大多数的金属氧化物、硫化物等，它们的导电能力介于导体和绝缘体之间，我们把这类物体叫半导体。
磁铁是我们日常生活中并不罕见的物体，在磁铁的周围存在着磁场。拿一块磁铁来，这个磁铁的两端就是它的两个极——南极（S极）和北极（N极），这两个极间的相互作用是通过磁场来进行的，磁场虽然看不见摸不着，但我们可以用磁力线来描绘它。在一根条形磁铁的上面放一块玻璃板，玻璃板上撒一层铁屑，轻轻敲打玻璃板，铁屑就会按一定的规则排列，将这些铁屑连成线条，我们叫它磁力线。它的疏密程度能反应磁场的强与弱，磁力线上面的每一点的切线方向，表示了这一点的磁场方向。电与磁是相互联系、相互转化的。我们知道，电流通过导线时，周围就会产生磁场。根据电流可产生磁场的道理，人们把导线绕成线圈，做成了电磁体，广泛应用在生产和日常生活中。
近代物理学的知识告诉我们，无论磁现象还是电现象，它们的本源都是一个，即电荷的运动。物体原子中的电子，不停地绕核旋转，同时也有自转，电子的这些运动便是物体磁性的主要来源。也就是说，一切磁现象都起源于电荷的运动，而磁场就是运动电荷的场。
不仅电流能够产生磁场，而且磁场的变化也可以产生电流，这叫电磁感应现象。电磁感应的发现，为工农业生产的电气化创造了条件。
温度是反映物体冷热程度的物理量，我们常用温度计来测量温度。人们还规定了在一个标准大气压下，冰溶解时的温度为零度，水沸腾时的温度为100℃，在0℃～100℃之间分成100等份，每1份就叫1℃。这种标定温度的方法叫摄氏温标。用摄氏温标表示温度时，应在数字后面写上符号“℃”。
在热力学理论和科学研究中，还常用另一种温标叫绝对温标，这种温标不是以冰水混合物的温度为零度，而是以-273.15℃作为0℃，叫绝对零度。绝对温度的1度叫1开，用字母“K”表示。同一个温度可以用摄氏温标表示，也可以用绝对温标表示，它们之间的关系为：T＝t＋273.15（K），这里T为绝对温度，t为摄氏温度。
水蒸气遇冷可以凝结成水，但要让空气凝结成液体，却不是件容易的事。经过长期的实践，人们发现，在一个大气压下，空气要在81K（约为-192℃）以下，才可以液化。换句话说，液态空气在一个大气压下的沸点为81K，这样，人们便把低于81K以下的温度称为低温。至于氢气和一些惰性气体的液化温度，那就更低了。如果我们能用特殊技术使这些气体液化，并把它们置于特殊的容器中保存起来，这样就可以获得极低的温度。这些温度和我们的生活环境差距如此之大，许多物质在这样低的温度里显示了从未有过的奇异的特殊规律。研究物质在低温下的结构、特性和运动规律的科学，就叫低温物理。
19世纪末，随着工农业生产的迅速发展，低温技术也日益提高，一个个曾被认为不能液化的“永久气体”相继被液化，使人们获得了越来越低的温度，为探索未知世界的奥秘提供了强有力的武器。终于在20世纪初叶，揭开了超导体研究的序幕。
奇异的低温世界
提起低温，我们往往会联想到千里冰封、万里雪飘的北国风光，在我国北方度过了童年时代的人们更会浮想起许多愉快的儿时往事：玻璃窗上美丽的冰花图案、雪球激战、白雪老人……居住在北方的少年朋友，你们对这些场景一定不会感到陌生吧！除此之外，我们也会想到人类的老祖先曾经和漫长严寒的冰期作过多少万年的艰苦斗争，更会想到南、北极那终年不融的冰山。经过漫长的历史岁月，人们早已战胜了普通的冰雪低温。在现代，除了探索地球南北极大自然的奥秘外，摆在科学工作者面前的一个任务便是向更低的温度进军了。
1784年，英国的化学家拉瓦锡曾预言：假如地球突然进到极冷地区，空气无疑将不再以看不见的流体形式存在，它将回到液态，这就会产生一种我们迄今未知的新液体。他的伟大预言一直激励着人们试图实验气体的液化，或者尝试达到极低的温度。
法拉第是19世纪电磁学领域中最伟大的实验物理学家。他生于伦敦近郊的一个小村子里，父亲是个铁匠，家境十分贫寒，所以法拉第的青少年时期没有机会受到正规的学校教育，只是学了一点读、写、算的基本知识。但他勤奋自强，自学成才，完全凭借自己的努力、胆略和智慧，从一个书店报童到装订书的学徒再到皇家研究院实验室的助理实验员，最后成为一名著名的实验物理学家。
1823年，法拉第开始了气体液化的实验研究。当时，他正在皇家学院的实验室做戴维的助手。有一天，法拉第正在研究氯化物的气体性质，他用一根较长的弯形玻璃管进行他的实验：把一种氯化物装在管子的较长端，然后密封玻璃管的两端，加热管子的较长端，他突然发现在玻璃管的冷端出现了一些油状的液滴，法拉第马上就意识到，这液滴是氯。由于加热，密封管中的压强必然增大，但只有冷端收集到液态的氯，这说明影响气体液化的因素不只是压强，除了压强之外，还有温度。1826年，法拉第又做了一个实验，这次他将管子的短端放在冰冻混合物中，结果收集到的液氯更多了。从这以后，法拉第开始对其他气体进行研究，他用这种方法陆续液化了硫化氢、氯化氢、二氧化硫、乙炔等气体。到了1845年，大多数的已知气体都已经被液化了，而氢、氧、氮等气体却丝毫没有被液化的迹象。当时有许多科学家认为，它们永远也不会被液化了，它们就是真正的“永久气体”。
然而，实验家们并没有就此罢休，他们设法改进高压技术，试图用增大压强的方法来使这些“永久气体”液化。有人将氧和氮封在特制的圆筒中，再沉入海洋约1.6千米深处，使压强大于200个大气压；维也纳的一位医师纳特勒在19世纪中叶曾选出能耐300大气压的容器来做实验，但最终都未成功，空气始终未能被液化。
法国物理学家卡尼承德？托尔，在1822年曾做过一个实验，他把酒精装在一个密闭的枪管中，由于看不见枪管中发生的现象，他就设法利用听觉来帮助自己。他将一个石英球随酒精一起封进枪管内，利用石英球在液体中滚动和在气体中滚动所发出的不同声音来辨别枪管内的酒精是液态还是气态。他发现在足够高的温度时，酒精完全变成了气态。
为了搞清楚这个过程是怎样发生的，他改用密封的玻璃管进行实验，在管内充入部分酒精，一边加热一边观察。然而，尽管玻璃管很坚固，每当液体只剩一半时，玻璃管就会突然爆炸。这到底是为什么呢？他再一次进行上述实验，结果玻璃管还是毫不例外地发生了爆炸。
经过多次反复的实验，托尔最后得出结论：当酒精加热到某一温度时，将突然全部转变成气体，这时的压强将达到119个大气压。当然，在这样大的压强下，什么样的玻璃管也将会发生爆炸的。
托尔对酒精汽化现象的研究，引起了人们的重视，人们纷纷开始对其他液体进行研究，发现任何一种液体，只要是给它不断地加热，在某一温度下，它都会转变成气体，这时容器内部由气体产生的压强将显著增大。就这样，托尔对气液转变现象的研究，使他成了临界点的发现者。然而，遗憾的是，当时托尔对之并不能解释，直到1869年，安德鲁斯全面地研究了这一现象，才搞清楚了气液转变的全过程。
安德鲁斯是爱尔兰的化学家，见伐斯特大学化学教授。1861年，他用了比别人优良得多的设备从事气液转变的实验。他从托尔的工作中吸取了经验，托尔用酒精做的实验是相当成功的。后来安德鲁斯换用水来做这个实验，但由于水的沸点太高，压强要大到容器无法支持的地步，因此没有做成这个实验。于是，安德鲁斯就选了二氧化碳（CO2）作为工作物质。他把装有液态和气态的二氧化碳的玻璃容器加热到30.92℃时，液气的分界面变得模糊不清，失去了液面的曲率，而温度高于30.92℃时，则全部处于气态。当温度高于这个数值时，即使压力增大到300或400个大气压，也不能使CO2液化，他把这种气液融合状态叫临界态，这个温度值叫临界温度。在这些实验的启示下，人们进而设想每种气体都有自己的临界温度，所谓的“永久气体”可能是因为它们的临界温度比已获得的最低温度还要低得多，只要能够实现更低的温度，它们也是可以被液化的。问题的关键在于寻找获得更低温度的方法。
在“永久气体”中，首先被液化的是氧。1877年，几乎同时有两位物理学家分别实现了氧的液化。一位是法国人盖勒德，一位是瑞士人毕克特。
盖勒德早先是矿业工程师，他最初也是试图通过施加高压强来使气体液化。他用的工作物质是乙炔，乙炔在常温下，大约加到60个标准大气压就足以液化。可是盖勒德的仪器不够坚固，不到60个标准大气压就突然破裂了，被压缩的气体迅速跑出去，就在容器破裂的瞬间，他注意到器壁上形成了一层薄雾，很快就又消失了。他立即醒悟到，这是因为在压强消失之际，乙炔突然冷却，所看到的雾是某种气体的短暂凝结，不过当时盖勒德却把它误认为是乙炔不纯，含有水汽所凝结成的水雾。于是，他从化学家贝索勒特的实验室里要了一些纯乙炔，再进行试验。实验的结果还是出现了雾，这样，他才断定这雾原来就是乙炔的液滴。盖勒德的乙炔实验虽然走了一点小弯路，但却找到了一种使气体液化的特殊方法。
接着，他尝试使空气液化，以氧作为他的第一个目标。他之所以首选氧，是因为纯氧比较容易制备。他将氧气压缩到300个标准大气压，再把盛有压缩氧气的玻璃管放到二氧化硫的蒸气中，这时温度大约为-29℃，然后再让压强突然降低，果然在管壁上又有薄雾出现，他重复做了这个实验很多次，结果都是一样，最后盖勒德肯定，这薄雾就是液态氧。
有趣的是，正当盖勒德在法国科学院报告这一成果时，会议秘书宣布了不久前接到的毕克特的电报，电报说他在320个标准大气压和-140℃下联合使用硫酸和碳酸，液化氧取得了成功。
虽然盖勒德的实验只是目睹了氧的雾滴，并没有把液态氧收集到一起保存下来，然而他的方法却在后来其他气体的液化中得到了应用。
1895年以后，低温物理学在工业上的应用与日俱增，主要用途是为炼钢工业提供纯氧。正在这个时候，英国皇家学院的杜瓦为研究绝对零度附近的物质的性质，也在致力于解决低温的技术问题。1885年，他改进了前人的实验方法，获得了大量的液态空气和液氧，并在1891年发现了液态氧和液态臭氧都有磁性。1898年，杜瓦发明了一种特殊的绝热器，当时叫做低温恒热器，后来也称为杜瓦瓶。他将两个玻璃容器套在一起，联成一体，容器之间抽成真空，这样的瓶就可以盛大量液氧了。1893年1月20日杜瓦宣布了他的这项发明。1898年，杜瓦用自己的新型量热器实现了氢的液化，达到了20.4K的低温，第二年实现了氢的固化，靠抽出固体氢表面的蒸气达到了12K的低温。
