超導材料具有電阻等於零的性質，在某壹低溫下磁力線被排斥。已經發現28種元素和數千種合金和化合物可以成為超導體。
特性超導材料的性質與常規導電材料有很大不同。主要有以下表現。①零電阻:超導材料處於超導狀態時，其電阻為零，可以無損耗地傳輸電能。如果用磁場在超導環中感應出感應電流，這個電流可以保持不衰減。這種“連續電流”已經在實驗中多次觀察到。②完全抗磁性:當超導材料處於超導狀態時，只要外加磁場不超過壹定值，磁力線就無法穿透，超導材料中的磁場始終為零。(3)約瑟夫森效應:當兩個超導材料之間形成薄絕緣層(約1nm厚)形成低阻連接時，會有電子對穿過絕緣層形成電流，但絕緣層兩側沒有電壓，即絕緣層也變成了超導體。當電流超過壹定值時，絕緣層兩側出現電壓U(也可以加上電壓U)。同時，DC電流變成高頻交流電，輻射出電磁波，頻率為，其中H為普朗克常數，E為電子電荷。這些特性構成了超導材料在科學和技術領域越來越顯著的應用的基礎。
基本臨界參數包括以下三個基本臨界參數。①臨界溫度:當外磁場為零時，超導材料由正常狀態轉變為超導狀態(或相反)的溫度，用Tc表示。Tc值因材料不同而異。超導材料的最低Tc已經測得是鎢，為0.012K。到1987時，最高臨界溫度已提高到約100k k(2)臨界磁場:破壞超導材料的超導狀態並使其變為正常狀態所需的磁場強度，用Hc表示。Hc與溫度T的關系為Hc=H0[1-(T/Tc)2]，其中H0為0K時的臨界磁場。(3)臨界電流和臨界電流密度:當通過超導材料的電流達到壹定值時，也會打破超導狀態，使其變為正常狀態，用Ic表示。Ic壹般隨著溫度和外磁場的增加而降低。單位截面積所承載的Ic稱為臨界電流密度，用Jc表示。
超導材料的這些參數限制了材料的應用條件，因此尋找新的高參數超導材料成為人們的重要課題。以Tc為例，從荷蘭物理學家H. Kemelin-Agnes在191年發現超導(Hg，Tc=4.2K)開始，人們發現的最高Tc直到1986年才達到23.2K(Nb3Ge，1977)。1986瑞士物理學家K.A. Miller和聯邦德國物理學家J.G. Bednorz發現了氧化物陶瓷的超導性，從而將Tc提高到35K。僅僅壹年後，新材料的Tc已經提高到約100K K，這壹突破為超導材料的應用開辟了廣闊的前景，米勒和貝德諾茨獲得了1987諾貝爾物理學獎。
分類超導材料按化學成分可分為單質材料、合金材料、化合物材料和超導陶瓷。①超導元素:常壓下具有超導性的元素有28種，其中鈮(Nb)的Tc最高，為9.26K·K..Nb和Pb (Pb，Tc=7.201K)主要用於電氣工程，已用於制造超導交流電力電纜和高Q諧振腔。(2)合金材料:在超導元素中加入壹些其他元素作為合金成分，可以提高超導材料的所有性能。比如最早使用的Nb-75Zr合金，Tc為10.8K，Hc為8.7 tex。隨後，鈮鈦合金被開發出來。雖然Tc略低，但Hc要高得多，在給定的磁場下可以承載更多的電流。其性能為Nb-33Ti，Tc=9.3K，HC = 11.0 tex；Nb-60Ti，Tc=9.3K，HC = 12te (4.2K)。目前，鈮鈦合金是應用於7 ~ 8特殊磁場的主要超導磁體材料。鉭三元合金的加入進壹步改善了鈮鈦合金的性能。Nb-60Ti-4Ta的性質為:TC = 9.9K，HC = 12.4 te(4.2K)；Nb-70Ti-5Ta的性能是:Tc=9.8K，HC = 12.8t..③超導化合物:超導元素與其他元素結合時往往具有良好的超導性。比如已經廣泛使用的Nb3Sn，Tc=18.1K，Hc=24.5。其他重要的超導化合物有V3Ga，Tc=16.8K，Hc = 24 TexNb3Al，Tc=18.8K，Hc=30。④超導陶瓷:80年代初，Miller和Bednorz開始註意到某些氧化物陶瓷材料可能具有超導性。他們小組對壹些材料進行了實驗，在1986的La-Ba-Cu-氧化物中發現了Tc=35K的超導性。1987年，中、美、日等國科學家在Ba-Y-Cu氧化物中發現Tc在液氮溫度範圍內具有超導性，使超導陶瓷成為壹種很有前途的超導材料。
應用超導材料的優良特性，使其從被發現的那壹天起，就向人類展現出誘人的應用前景。但是超導材料的實際應用受到壹系列因素的制約，首先是它的臨界參數，然後還有材料的制作工藝等問題(比如脆性的超導陶瓷如何制作成軟線就有壹系列的工藝問題)。到80年代，超導材料的應用主要有:①利用材料的超導性可以制成磁體，可用於電機、高能粒子加速器、磁懸浮運輸、受控熱核反應、儲能等；可制作電力電纜進行大容量傳輸(功率可達10000 MVA)；);可以制作通訊電纜和天線，性能優於常規材料。②利用材料的完全抗磁性，可以制作無摩擦陀螺儀和軸承。(3)約瑟夫森效應可用於制作壹系列精密測量儀器、輻射探測器、微波發生器、邏輯元件等。利用約瑟夫森結作為計算機的邏輯和存儲元件，其運算速度比高性能集成電路快10 ~ 20倍，功耗只有四分之壹。
1911年，荷蘭物理學家Anis (1853 ~ 1926)發現，水銀的電阻率並沒有像預期的那樣隨著溫度的降低而逐漸降低，而是當溫度降到4.15K左右時，水銀的電阻突然降到零。當某些金屬、合金和化合物的溫度下降到接近絕對零度的某壹溫度時，其電阻率突然下降到不可測量的現象稱為超導性，能夠傳導超導性的物質稱為超導體。超導體從正常狀態轉變為超導狀態的溫度稱為這種物質的轉變溫度(或臨界溫度)TC。人們發現，大多數金屬元素和數千種合金及化合物在不同條件下都表現出超導性。比如鎢的轉變溫度是0.012K，鋅是0.75K，鋁是1.196K，鉛是7.193K。
超導體的獨特特性使其有可能廣泛應用於各個領域。但是早期的超導體存在於液氦極低的溫度下，極大地限制了超導材料的應用。人們壹直在探索高溫超導體。從1911到1986，75年從汞的4.2K增長到鈮鍺的23.22K，之後又增長了19K。
1986，高溫超導體研究取得重大突破。掀起了以研究金屬氧化物陶瓷材料為對象，以尋找高臨界溫度超導體為目標的“超導”。來自世界各地的260多個實驗小組參加了比賽。
1986 65438+10月，IBM位於瑞士蘇黎士的實驗室的科學家伯諾茲和繆勒首次發現鋇鑭銅氧化物是壹種高溫超導體，使超導溫度提高到30k；接著，日本東京大學工學部將超導溫度提高到37k；65438年2月30日，休斯頓大學宣布美籍華人科學家朱經武再次將超導溫度提高到40.2 K。
1987 65438+10月初，日本川崎國立分子科學研究所將超導溫度提高到43k；不久，日本集成電子研究所將超導溫度提高到46K和53 K..中國科學院物理研究所趙忠賢和陳立泉領導的研究組獲得了48.6 K的Sr-La-Cu-O超導體，並在70 K時發現了這類材料的相變跡象..2月15日，美國報道朱經武和吳茂昆獲得98K超導體。2月20日，中國也宣布發現100K以上的超導體。3月3日，日本宣布發現123K超導體。3月12日，中國北京大學成功進行液氮超導磁懸浮實驗。3月27日，美籍華裔科學家在氧化物超導材料中發現了轉變溫度為240K的超導跡象。很快，日本鹿兒島大學工學部發現，由鑭、鍶、銅、氧組成的陶瓷材料在14℃出現超導跡象。高溫超導體的重大突破，用液氮代替液氦作為超導制冷劑獲得超導體，帶動了超導技術的大規模發展和應用。氮氣是空氣的主要成分，液氮制冷機的效率比液氦至少高10倍，所以液氮的價格實際上只有液氦的1/100。液氮制冷設備簡單，所以現有的高溫超導體必須用液氮冷卻，但被認為是20世紀最偉大的科學發現之壹。
超導科學研究
1.非常規超導體的通量動力學和超導機制
本文主要研究混合態區磁力線運動的機理，不可逆線的性質和成因及其與磁場和溫度的關系，臨界電流密度對磁場和溫度的依賴性以及各向異性。超導機制的研究主要集中在磁電阻、霍爾效應、漲落效應、費米表面性質和T
2.強磁場下低維凝聚態物質特性的研究。
低維使低維系統表現出三維系統所不具備的特征。低維不穩定性導致許多有序相。強磁場是揭示低維凝聚態物質特性的有效手段。主要研究內容包括:有機鐵磁性的結構和來源；有機(包括富勒烯)超導體的機制和磁性；強磁場下二維電子氣中非線性元素激發的特殊性質:低維磁性材料的相變和磁相互作用；磁場中有機導體的輸運和載流子特性:磁場中的能帶結構和費米表面特性等。
3.強磁場下半導體材料的光電特性。
強磁場技術對半導體科學的發展越來越重要，因為在各種物理因素中，外磁場是唯壹改變動量空間對稱性同時保持晶體結構不變的物理因素，所以磁場在半導體能帶結構和元素激發及其相互作用的研究中起著特別重要的作用。通過對半導體材料在強磁場下的光學和電學性質的實驗研究，可以進壹步了解和掌握半導體的物理性質，從而為制造各種功能的半導體器件和發展高技術作出基礎性的探索。
4.強磁場下極細尺度的物理問題。
微尺度體系中存在著許多常規材料所不具備的新現象和奇異特性，這些現象和特性與這類材料的微觀結構，尤其是電子結構密切相關。強磁場為研究極微尺度系統的電子態和輸運特性提供了強有力的手段，不僅可以進壹步揭示常規條件下難以出現的奇異現象，還可以為更深層次地了解它們的物理特性提供豐富的科學信息。本文主要研究強磁場下極細尺度金屬和半導體的電子輸運、電子局域化和關聯特性。量子尺寸效應、量子限制效應、小尺寸效應以及表面和界面效應；以及非常精細尺度的氧化物、碳化物和氮化物的光學性質和能隙精細結構。
5.強磁場化學
強磁場對化學反應中電子自旋和核自旋的作用，可以導致相應化學鍵的松弛，為新鍵的形成創造有利條件，誘發壹般條件下無法實現的物理化學變化，獲得以前無法制備的新材料和化合物。強磁場化學是壹個應用基礎很強的新領域，有壹系列的理論課題和廣闊的應用前景。在不久的將來，我們可以研究水和有機溶劑的磁化和機理以及強磁場誘導的新的化學反應。
6.磁場下的生物學和生物醫學研究。
磁體科學與技術
強磁場的價值在於它對物理知識的重要貢獻。20世紀80年代壹個重要的概念發展是量子霍爾效應和分數量子霍爾效應的發現。這是在研究強磁場下二維電子氣的輸運現象時發現的(1985年獲諾貝爾獎)。量子霍爾效應和分數量子霍爾效應的發現，激發了物理學家探索其起源的熱情，在建立電阻的自然參照物、精確測量基本物理常數E、H和精細結構常數(= E2/H (0C)等應用中顯示出巨大的意義。高溫超導機制的最終揭示，還將取決於人們對高溫超導體在強磁場下性質的探索。
熟悉物理學史的人都知道，固體物理向凝聚物理演變的重要標誌在於其研究對象的拓展，從周期結構到非周期結構，從三維晶體到低維和高維系統，甚至分形系統。這些新天體表現出許多新的特性和物理現象，其物理機制與傳統的有很大不同。這些新天體的出現和對新效應、新現象的解釋，不斷豐富和發展了凝聚態物理。在這個過程中，極端條件壹直起著至關重要的作用，因為極端條件往往會使壹些因素凸顯出來，同時抑制另壹些因素，從而使原本復雜的過程變得更加簡單，有助於直接理解物理本質。
與其他極端條件相比，強磁場有其自身的特點。強磁場的作用是改變壹個系統的物理狀態，即改變角動量(自旋)和帶電粒子的軌道運動，所以它也改變了物理系統的狀態。正是在這壹點上，強磁場不同於中子源、同步加速器等其他昂貴的物理手段，並沒有改變所研究體系的物理狀態。磁場可以創造新的物理環境，導致新的特性，沒有磁場就不存在。低溫也能導致新的物理狀態，比如超導、相變等，但強磁場與低溫有很大不同，它比低溫更有效，因為磁場量子化了帶電粒子和磁性粒子的遙控和能量，破壞了時間反轉對稱性，使它們具有更獨特的性質。
強磁場可以在保持晶體結構不變的情況下改變動量空間的對稱性，這對於研究固體的能帶結構、元素激發及其相互作用非常重要。固體復雜的費米表面結構是由強磁場使電子和空穴在特定方向上自由移動，導致磁化強度和磁電阻振蕩的原理來證明的。固體中費米表面結構和特性的研究壹直是凝聚態物理中的前沿課題。現在凝聚態物理基礎研究的很多重要熱點都離不開強磁場這壹極端條件，甚至很多都是基於強磁場下的研究。如果波色凝聚只發生在動量空間，那麽只有在非均勻強磁場中才有可能在實空間中觀察到這種現象。再比如高溫超導的機理，量子霍爾效應的研究，納米材料和介觀物體中的物理問題，巨磁電阻效應的物理成因，有機鐵磁性的結構和來源，有機(包括富勒烯)超導體的機理和磁性，低維磁性材料的相變和磁相互作用，固體中的能帶結構和費米表面特性，元素激發及其相互作用的研究等。強磁場下的研究工作將有助於正確理解和揭示這些問題，從而推動凝聚態物理的進壹步發展。
電子、離子和壹些極性分子等帶電粒子在磁場中的運動會發生根本性的變化，特別是在強磁場中。因此，研究強磁場對化學反應過程、表面催化過程、材料特別是磁性材料的形成過程、生物效應和液晶形成過程的影響，可能會有新的發現，產生新的交叉學科課題。強磁場在材料科學中的應用為新型功能材料的發展開辟了壹條新的道路，這方面的工作在國外已經受到重視，在國內也開始有所要求。正是由於高溫超導體在未來高電壓領域不可估量的應用前景，引起了世界各國科技界乃至政府的高度重視。因此，無論從基礎研究還是應用角度來看，強磁場下的物理化學研究都具有重要的科學技術意義。通過這壹研究，不僅有助於深化當代基礎研究，也將對國民經濟的發展起到重要的推動作用。