超导现象是一个极为美妙、极为深刻的物理现象，超导研究的每次突破，对人类未来发展的意义都是难以估量的。寻找高温乃至室温超导体是科学家们孜孜以求的目标，其实现有可能对物理研究和人类文明产生深远的影响。在2023青年科学家50²论坛上，清华大学物理系教授、新基石研究员、2019年“科学探索奖”数学物理学领域获奖人王亚愚简要介绍了超导物理的发展历史、美妙的超导性质、超导体的可能应用、超导现象的微观机理、以及目前依然有待解决的高温超导之谜。

　　超导现象已经有100多年的历史，是1911年荷兰物理学家Onnes等发现，汞这种液态金属，到了-269℃进入零电阻状态，可以被称为超级导电体，也就是超导体。1933年，德国物理学家Matthias等发现弱磁场下，超导体几乎“排斥”掉所有的磁通，称为迈斯纳效应。这是超导体特征的两种行为，也是超导应用的来源。

　　我们能想象，一个零电阻、有磁悬浮的物体可以产生的应用。比如没有损耗的输电、超导电子学器件、超导量子计算、超导强磁铁、超导磁悬浮列车等。目前没看到大范围的应用，因为超导体通常只在极低温才能出现。一些在特殊领域的超导应用有超导磁铁用在核磁共振中、全超导托卡马克、超导量子计算系统和超导电缆和超导磁悬浮列车等。

　　为什么会有超导现象？金属导电现象靠自由电子的运动，运动总会受到散射，产生电阻，从而通过电流后会发热。而超导体到了极低温，它没有电阻还有磁悬浮，这是物理史上最艰深、也是最有趣的问题之一。很多大科学家包括爱因斯坦、杨振宁、费曼等都研究过这样的一个问题，但都一筹莫展。甚至有超导现象第一定理：“Every theory of superconductivity is false”（关于超导的任何理论都是错的）。

　　这个困扰了大家40多年的问题，在1957年，三位物理学家BCS完美解释了超导体。基本图像是，一般金属的导电靠单个电子；在超导体中，BCS提出导电靠两个电子形成的库珀对。带负电的电子与带正电荷的晶格产生吸引作用，这样的两组间接地形成库珀对。这是一种非常微弱的配对机制，因此超导态仅在极低温才存在，到高温就会被破坏掉。

　　寻找高温超导体是大家一直关注的问题。这样的一个问题非常之难，从1911年到1973年这60多年间，超导转变温度仅从-270℃上升到-250℃。大家的最终目标是找到室内超导体，退而求其次是希望找到液氮温区超导体。因为液氮很便宜，如果有液氮温区的超导体，就可以产生很多的应用。但到20世纪70年代，距离这个目标还非常之远。在这样的一个过程当中，科学家Matthias，也是迄今为止发现超导体最多的人，总结出找好的超导体的定律：

　　重大的突破是不期而遇的。1986年，两位不是很知名的非超导领域研究人员发现了一种氧化物陶瓷材料——镧钡铜氧，其中有30K的超导体。这为全世界的科学家提供了新的思路，去氧化物中找高温超导体。

　　1987年初，华裔科学家吴茂坤、朱经武、赵忠贤等独立发现了一个新的超导体——钇钡铜氧。这是人类历史上第一个液氮温区超导体，是具有93K转变温度的高温超导体。这个超导体的发现，令全世界的物理学家进入了狂热状态。

　　高温超导体这些氧化物材料完美地违背了Matthias的所有规律。实际上，过去的20多年，所有的新型高温超导材料都是非超导领域专家发现的。薛其坤老师就是很的例子，他的背景是半导体表面物理，他把该领域的方法、思路带到高温超导研究中，发现了很重要的超导体——界面高温超导。高温超导材料的未来也许靠大家在材料科学、化学、工程科学、生命科学的科学家们给我们大家带来新的启示。

　　钇钡铜氧是典型的黑色陶瓷材料，又硬又脆。陶瓷一般是绝缘体，为什么钇钡铜氧成为了最好的超导体，这是目前凝聚态理论方面最有挑战性的科学问题之一。凝聚态物理领域泰山北斗级的科学家Philip W. Anderson对此做出了巨大贡献，他在高温超导出现不久就提出了共振价键的理论（Resonating Valence Bond，RVB）。基本出发点是高温超导体的母体是一种绝缘的氧化物陶瓷材料——莫特绝缘体，超导的产生是通过掺杂电核进入导电态再进入超导态。这完全不能用BCS理论描述，其中发生及其重要的作用的是电子之间自旋的磁相互作用。

　　电子带有自旋和磁距，两个小磁条能形成非常强的吸引效应，所以Anderson认为，绝缘陶瓷中，电子的磁相互作用提供了非常强的配对相互作用，因此能产生高温超导态。

　　这种绝缘陶瓷叫莫特绝缘体。它的母体，从化学领域来看，是每个铜上面有一个电子；对物理学家来说，是一个金属，一个电子可以跳到下一个格点再跳到下一个格点，产生导电。莫特认为，当把两个电子放到一个格点时，他们有强烈的排斥，需要太多能量，所以电子决定躺平，每个电子在一个格点上，因此成为一个绝缘体。Anderson说如果其中掺入空穴，拿走一些电子，这时就有空位产生，电子能够继续跑来跑去，从而能够成为导体。而且Anderson有一个全新的观点来看母体中电子自旋的排布，已经是天然配成一对一对的，只要让它们跑起来就能进入超导态。

　　当然，把这么直观漂亮的观点细化成物理理论很难。因为即使描述一个空穴的运动，它一跑起来会扰动所有电子自旋的背景，这在量子力学上是极难描述的。所以现在很多物理学家只研究单个空穴的运动，已经很之难了，怎么配对超导仍然是未解之谜。

　　我的研究组10年前在清华建立扫描隧道显微镜（STM）实验室，可以从原子尺度看到高温超导体的结构和电子结构。我们第一次得到了母体——绝缘陶瓷的晶格结构。从中得到的最重要的信息就是能隙的大小，它怎么传递给高温超导态，是我们想理解的问题。

　　高温超导有一个很重要的经验规律，当一个材料中铜氧面的层数从一递增到三的时候，超导性质急剧上升。所以过去我们花了10年的时间，找到了五个高温超导体的母体，来测量他们的能隙大小。我们正真看到能隙跟超导转变温度之间有一个反关联。这个反关联的来源就是量子力学的简单理论，能隙越小，反体自关联越强，因此对Anderson的理论提供了非常强的支撑。

　　我们的工作只有五个数据点，结构到三层。从去年开始，我们与清华大学的朱静院士合作。朱老师把他最擅长的技术——STEM-EELS（扫描透射电镜）用于高温超导研究，能够正常的看到四层至九层的材料。我从来就没想过我们可能看到有九层结构的高温超导。在这个工作当中，把我们来从一至三层的规律推展到六层，依然成立，这对高温超导的机理提供了非常强的支持启示作用。

　　最近，我们团队刚刚提出了一个新的高温超导图像，叫“分子轨道”图像。目前有两类高温超导机理，一个叫RVB，完全来自于局域；一个是BCS，完全来自于巡游的电子能带。我们大家都认为掺杂的绝缘陶瓷，正好处于二者当中。量子化学领域有非常成功的一套理论，叫分子轨道，而它从来就没应用到强关联高温超导的研究中。所以我们提出一种全新的机理，叫掺杂分子轨道超导态。我们得知低能电子态像一个一个条纹，高能电子态像一个一个的梯子。我们联想到在量子化学领域，一些分子形成的成键轨道，它们就是一个一个条纹，而它们的反键轨道就是一个一个的梯子。在两个不同学科之间，通过实验数据建立了联系，我们始终相信把其他学科已经很成熟的方法、思路带到高温超导研究中，也许能带来新的启示。

　　高温超导研究已有超过百年的历史，有一系列激动人心的发现，有14位诺贝尔奖得主。它既是凝聚态物理值得骄傲的成就，也有目前最大的挑战。有的人觉得高温超导的问题已解决了，有的人觉得这样的一个问题如此之难，人类永远没有办法解决，还有的人觉得高温超导根本就没有值得解决的问题，所有的现象以前都见过，只是定量的提高而已。

　　展望未来，我们有可能发现室温超导体吗？也许永远都不可能，也许就在今天晚上。虽然高温超导研究的未来充满未知，但一定会不断给我们大家带来新的惊喜和挑战。谢谢大家。