1972年，人们又发现了3He的超流动性。虽然3He与4He只相差了一个中子，它们在常温下的特性也很相似，但两者的量子力学行为却大不相同。4He是玻色子，遵循玻色-爱因斯坦统计，3He却是费米子，遵循费米-狄拉克统计。玻色子可以产生玻色爱因斯坦凝聚，即可有大量的粒子处于同一量子态，费米子却要遵循泡利不相容原理，即不可能有2个以上的费米子占据同一个量子态。因此，从20世纪30年代到50年代初，物理学家们一直认为3He是不可能出现超流态的。直到超导BCS理论建立以后，人们才认识到两个3He原子有可能象电子的“库珀对”一样，配起对来而显示出玻色子的特性。3He的超流现象比4He复杂得多，超流转变温度也较4He低得多。通过对3He超流的研究，人们对量子力学规律在低温世界中的主宰作用有了越来越深刻的认识。超流液氦不仅提供了研究宏观量子效应的理想体系，而且在技术上也有重要的应用。3He-4He稀释制冷机的出现大大促进了低温技术的发展，就是一个例证。前已提及的核绝热去磁所创造的低温记录就是以稀释制冷机作为前级预冷的。
综上所述，低温物理的研究与超导技术的发展相互依存，相互促进，不仅使人类对低温和超低温条件下的自然规律有了清晰的认识，而且利用这些规律发展起来的新技术又给人类带来了巨大的经济和社会效益。
三、超导技术
1.什么是超导体
到目前为止，科学家已发现某些金属（包括合金）、有机材料、陶瓷材料在一定的温度Tc以下，会出现零电阻的现象，我们称这些材料为超导体。同时，科学家们还发现，强磁场能破坏超导状态。每一种超导材料除了有一定的临界温度Tc外，还有一个临界磁场强度Hc，当外界磁场超过Hc时，即使用低于Tc的温度也不可能获得超导态。此外，在生物体中也发现有超导现象存在。
2.超导材料的基本特性
超导材料用于超导状态时，称为超导体。超导材料具有许多特殊的性质，如完全导电性、完全抗磁性和约瑟夫森隧道效应等。
（1）完全导电性
1908年，荷兰莱顿大学学者昂纳斯将惰性气体氦液化，得到了4．2K的低温。1911年7月10日，这位杰出的低温物理学家在测定汞电阻的低温特性时发现，在4．2K附近汞的电阻跳跃式地下降，并在4．15K时处于“电阻完全消失”的状态。这就是人类首次观察到的“零电阻状态”，即物理学上定义的物质的超导电状态。后来，科学家又定义物质的这种性质为完全导电性。
（2）完全抗磁性
1933年，荷兰物理学家迈斯纳发现，在不太强的磁场作用下，超导体是完全抗磁体，即使铁、钴、镍等强磁体处于超导态时也会转变为抗磁体。超导体的这种基本性质称为迈斯纳效应，也就是完全抗磁性。后来的研究发现，处于超导态的物质都具有完全导电性和完全抗磁性。
（3）临界磁场特征
将超导体置于磁场中，如果逐渐增大磁场至某一个临界值时，电阻会突然由零变为一个正常值，这个临界值称为超导体的临界磁场。也就是说，在临界磁场以下超导体是处于超导状态的；在临界磁场时或磁场大于临界磁场时，超导体将由超导态转变为非超导态。
（4）约瑟夫森隧道效应
约瑟夫森效应是一种宏观量子隧道效应，即粒子可以穿过势垒，这在经典物理中是绝对不允许的。事实上，约瑟夫森效应中穿过势垒的是动量匹配的电子对，在适当的条件下，当两个金属超导体中间夹一薄层绝缘体（约1nm），并且使超导体处于超导态时，外加微伏级电压，就会有电流流过夹层。由于这一效应最先由英国科学家约瑟夫森于1962年在理论上作出预言并进行理论证明，因此这种超导特性被命名为约瑟夫森效应。事实上，在约瑟夫森之前，美籍挪威学者伊瓦尔·贾埃佛曾在实验上发现过类似的现象。1959年4月～1960年4月，他先后三次试验观察到这种隧道电流。
（5）同位素效应
同位素效应于20世纪50年代初发现。1950年5月，美国国家标准局的麦克斯卫和鲁特格斯大学的雷诺尔等人在研究汞的超导转变温度时发现，超导体的R值与其同位素质量有关，即TC∝1／Mβ（β≈0．5）。1950年5月18日，他们的研究论文发表于《Physics Review》上。这就是后来物理学中的“超导体同位素效应”。这一效应为揭示超导体的微观本质起到了决定性的作用。
目前，人们已经认识到，超导电性是低温物理世界中比较普遍的物理现象，超导电性就是一种宏观量子效应。1957年，巴丁·库柏和施莱弗揭示了超导体的微观导电机理，这就是著名的BCS理论。该理论指出：超导体的导电本质是电子对导电，电子成对原因在于电子间存在电子一声子相互作用。1986年1月27日，瑞士科学家莱特诺兹和缪勒发现La-Ba-Cu-O系列高温超导体；使超导体的研究成为世界范围内高科技研究中的一个热点，从而使近年来的高温超导体研究取得了多方面的进展。
三、超导材料的分类
迄今为止，人类已发现并能够制备多个系列、多品种的超导材料，而且超导材料的家族还在不断地发展。按照应用目的区分，可将超导材料分成体材、膜材和线材以及超导粉体等多种超导材料；按照超导材料研究历史分类，可将其分为低温超导体（金属及其合金等传统超导体）和高温超导体（氧化物超导体、有机超导体和C60化合物超导体等）；如按超导材料的内禀特性区分，又可分成第Ⅰ类超导体和第Ⅱ类超导体；如按超导材料的组分或化学成分分类，还可以将其分成金属超导体、氧化物陶瓷超导体、有机超导体和C60掺杂化合物型超导体。这里分类方法不同，研究问题的出发点有所不同。也就是说，物理学界、化学界、材料学界以及电子学界的分类方法有所差异。这里从介绍各类超导体的特征和性质出发来粗略地对其分类，这样叙述更方便一些。
（1）金属及合金超导材料
这类传统超导材料是1911年发现的，至今已有近百年的研究历史。从其成分上区分，已有数百种金属及其合金超导体。如Hg、Pb、Nb、Nb3Si、V3Si、Nb-Al-Ge、Nb3Ge等等。这类超导体的导电特征是动量匹配电子对，又称Cooper电子对，电子对是通过电子一声子间的相互作用而耦合成对的。这类传统的超导体的超导转变温度比较低，其中转变温度最高的是Nb3Ge，相应的TC值为22．3K。传统超导体的优点是临界电流密度Jc值很高，一般在106A／cm。以上，并且其加工性也比较理想。目前，金属及合金超导体已部分用于高科技领域。然而由于这类超导体的临界温度TC值偏低，并且用于致冷的液He成本昂贵，因而至今不能广泛应用于工业。
（2）有机超导材料
第一个有机超导体发现于1980年，临界温度在1K以下。1988年又合成出k值为10K的有机超导体。20世纪90年代初，美国阿贡国家实验室又报道了11.6K和12．8K两种有机超导体。近20年来，人们合成的有机超导体都是由有机阳离子和无机络阴离子组成的电荷转移型化合物。按组成分子的结构单元的特点，有机超导体可分为两类：①四甲基四硒富瓦烯类（TMTSF单元）；②二四硫富瓦烯（BEDT-TIF单元）。其中，第一类化合物可以写成（TMTSF）2X，X-1为无机络阴离子，也称为Bechgard盐；第二类化合物可简写成ET。1983年，IBM研究中心发现了在2．5K以下超导的（ET）2ReO4；1988年日本东京大学合成了Cu（SCN）-2的ET盐，超导转变温度为10K；1988年夏季，东京大学又推出阴离子为Cu\[N（CN）2\]Br-和Cu\[N（CN）。\]Cl-两种ET盐，超导转变温度分别为11．6K和12．8K。目前，在ET盐中已发现了反同位素效应。此外，这些有机超导体还具有许多特殊性质，如电导异常频率关系、与金属超导体完全不同的非弹性散射率与频率和温度的线性关系以及二维性等。这些特性已经引起了物理学和化学界的兴趣和关注。
（3）高温氧化物超导材料
高温氧化物超导体最先由Bendnorz和Muller于1986年初发现，目前已经发展为I口Ba-Cu-O、La-Sr-Cu-O、Y-Ba-Cu-O、Bi-Sr-Cu-O、Bi-Si-Ca-Cu-0、T1-Ba-Ca-Cu-O等多种系列。这些氧化物超导体的转变温度远高于传统超导理论预言的极限温度40K，其中Tc最高的已达到了125K，成为名副其实的液氮温区超导体。高温氧化物超导体的导电特征是颗粒导电性，仍然属于电子对导电。然而已经证实，用传统的BCS超导理论无法解释新超导体的微观导电机理。与传统的金属超导体或有机超导体相比较，尽管氧化物超导的Tc值具有优势，但仍存在推广应用的障碍。一方面氧化物超导体属于陶瓷，几乎无法制成导线一类的线材，并且加工性较差；另一方面这类超导体的本征I临界电流密度Jc值偏低，不适合作强电方面的应用。由于上述困难，极大地限制氧化物超导体的应用范围。
（4）C60掺杂金属原子型超导材料
1991年4月，美国贝尔实验室的Hebard等人首先公布，在掺钾的C60中发现了18K的超导电性，引起世界范围内的轰动。不久，Rosseinclcy等人在掺Rb的C60中发现了28K的超导电性。1991年末，美国哈佛大学的Kelty等得到了30K超导电性的掺Cs超导体。此外，还有日本NEC公司Tanigaka等人的33K的Cs2RbC60，美国信号联盟公司Igbal等人的45KRb2.7Tb2.2C60以及48K的Tl2RbC60。已经证实，K3C60是各向同性三维超导体，其TC值接近50K。目前，掺杂Cs。高温超导体的实验和理论研究还处在发展之中，许多问题有待于发现和研究。有人预言，如果能合成并分离出巨型C240或C540只要其能带不重叠，那么就有可能实现室温超导电性。这是一个极有诱惑的机遇与挑战。
四、超导材料的应用现状与应用研究进展
超导材料的基本特性决定了其应用的极大可能性。一般而言，只要涉及到电和磁以及电磁辐射的领域，都有开发超导电技术应用的可能性。
（1）传统超导材料应用现状
事实上，在高温氧化物超导体出现以前，传统超导体就已部分用于军事、医疗以及一些高科技领域。如1968年美国的第一个超导铌谐振腔；1979年美国加州大学开发的超导准粒子混频器；l984年美国的4GHz、6bit超导A／D转换器；1978年美国费米实验室开始建造世界第一台超导加速器Tevatron，并于1983年完成；1984年德国汉堡同步超导电子加速器开始建造，于1990年建成；20世纪70年代末，法国研制成功超导磁分离器；1965年美国AVCO公司试制一台立式旋转电枢的8kVA超导发电机，1972年美国西屋公司又研制一台5MVA超导发电机；1972年日本研制成时速60km超导磁悬浮列车，1978年磁悬浮列车时速达到了347km，1979年进一步提高到时速517km；1992年日本超导电磁推进船下水试验成功。这些事实表明，传统超导体已经实用化，并且将逐渐拓展到民用各个领域。
（2）高温氧化物超导体应用研究进展
从目前的发展趋势分析，高温氧化物超导体已经开始走向实用化，特别在超导量子器开发方面频频传来佳绩。自20世纪80年代末以来，我国科技工作者在高临界温度SQUID和器件的研制方面取得了十分突出的研究成果，居世界先进水平。例如，北京大学研制的高临界温度SQUID已于1989年用于大地磁测量试验；我国西北有色金属研究院制造的YBCO超导磁屏蔽管，屏蔽系数高达105，已用于射频量子干涉仪中。此外，清华大学研制的超高频天线、北京有色金属研究总院的磁通变换器等成果均居世界先进水平之列。在超导强电应用方面，国内外也已取得重要研究进展。例如，美国ASC公司生产的1160m长Bi系带、日本住友公司生产的1200m长Bi系带，电流密度均在104A／cm。以上；目前我国研制的Bl系带电流密度值也已达到了国际水平。总之，今后5年或更长一段时间是高温超导体应用研究的关键时期，相信高温超导材料的应用将会有光明的前景。
