超导材料一种重要的性质是完全抗磁性，又称迈斯纳效应，即处于超导态时，只要外加磁场不超过一定值，磁力线不能透入，超导材料内的磁场恒为零。能够破坏超导态的磁场称为临界场H_c。

超导材料的发展起源于1911年，荷兰科学家H.开默林-昂内斯用液氦冷却汞，当温度下降到绝对温标4.2K时水银的电阻完全消失，这种现象称为超导电性。他将“超导”定义为在一定温度条件下电阻突然消失的现象，处于超导状态的导体称为超导体，具有这一性质的材料称为超导材料。此后随着超导材料的不断发展，超导材料的临界超导温度也在不断被提高。拥有最高临界超导温度的超导材料是2015年A.P.德罗兹多夫^[注]等在155吉帕的零场冷却条件下得到的H₂S，临界超导温度高达203K。超导材料以及超导临界温度发展历程见图。

超导材料及其超临界温度发展历程

超导材料发展的一百多年时间来，相应的微观理论也在不断发展。发展较为全面的理论是美国物理学家J.巴丁、L.N.库珀和J.R.施里弗在1957年提出的BCS理论。他们首先发现“库珀对”（Cooper pair）——金属中的两个电子之间通过交换声子（晶格振动量子）而呈现吸引力。在费米（Fermi）面附近的电子，两两配对，构成“库珀对”。在没有电流时，每个“库珀对”由两个动量完全相反的电子所组成。电子对通过晶格运动时不受阻力，这是因为两个电子同时受到晶格的散射而发生相反的动量改变，结果电子对的总动量不变。所以晶格既不能减慢也不能加快电子对的运动，在宏观上就表现为直流电阻为零的超导行为。巴丁、库珀和施里弗因此获得1972年的诺贝尔物理学奖。不过，BCS理论并无法成功解释所谓第二类超导，或高温超导的现象。

2018年，曹原等人报道在二维超晶格中实现本征非常规超导电性的方法，这种超导电性是由两片石墨烯小角度（＜1.05°）叠加而成，扭曲的双层石墨烯中垂直堆叠的原子区域会形成窄电子能带，电子相互作用效应增项，从而产生非导电的莫脱（Mott）绝缘态。在莫脱绝缘态情况下加入少量电荷载流子，就可以成功转变为超导态，系列工作以“背靠背”的两篇长文形式刊登在Nature官网上。

超导材料按照不同属性有不同的分类方式：①按照临界超导温度T_c分类，分为低温超导材料和高温超导材料。高温超导体通常指其转变温度达到液氮温度（大于77K）；低温超导体通常指其需要其他特殊的技术才可以达到转变温度。②根据材料对磁场的响应不同，分为第一类超导材料和第二类超导材料。对于第一类超导体只存在一个单一的临界磁场，超过临界磁场的时候，超导性消失；对于第二类超导体，有两个临界磁场值，在两个临界值之间，材料允许部分磁场穿透材料。③按照材料的化学成分，可以分为金属超导材料（元素、合金、化合物等）、超导陶瓷、有机超导体及半导体或绝缘超导材料四大类。

如果发生相变时，体积不变化，也无相变潜热，而比热、膨胀系数等物理量却发生变化，则称这种相变为二级相变。正常导体向超导体的转变是一个二级相变。1932年，荷兰学者W.H.凯索姆^[注]和J.A.科克^[注]发现，在超导转变的临界温度T_c处，比热出现了突变。凯索姆-科克（Keesom-Kok）实验表明，在超导态，电子对比热的贡献约为正常态的3倍。

同位素效应指出超导体的临界温度随同位素质量而变化：

同位素效应揭示出超导电性与电子和晶格的振动有关。

电子能通过两块超导体之间薄绝缘层的量子隧道效应。在量子力学中，由于电子等微观粒子具有波粒二象性，当两块金属被一层厚度为几十至几百埃的绝缘介质隔开时，电子等都可穿越势垒而运动。加电压后，可形成隧道电流，这种现象称为隧道效应。若把上述装置中的两块金属换成超导体后，当其介质层厚度减少到30埃左右时，由超导电子对的长程相干效应也会产生隧道效应，称为约瑟夫森效应。1962年，B.D.约瑟夫森计算了两边都是超导体结的隧道效应，得到以下重要结果：①在超导结中电子对可以通过氧化层形成超导电流，而结上并不出现电压，称为直流约瑟夫森效应；在外磁场中，超导结的最大超导电流随磁场出现规律性的变化。结两端的电压V=0时，结中可存在超导电流，是由超导体中的库珀对的隧道效应引起的。只要该超导电流小于某一临界电流I_c，就始终保持此零电压现象，I_c称为约瑟夫森临界电流。I_c对外磁场十分敏感，并随外加磁场呈周期性变化，甚至地磁场可明显地影响I_c。②当结上加有电压V≠0时，通过结的电流是一个交变的振荡超导电流，效率为2eV/h（h为普朗克常数），这称为交流约瑟夫森效应。

超导材料根据其特有的物理化学性质，可以在各个领域具有独特的作用。因为其零电阻效应，可以成为零电阻器械（如超导电线等），降低电力运转过程中能量消耗，极大地提升能量利用率。完全抗磁性质，可以做成超导磁悬浮列车，通过电磁力实现列车与轨道之间的无接触的悬浮和导向，这样列车在运行时的阻力降低很多，沿轨道“飞行”的速度可达500千米/小时。同时，利用超导磁体制得的核磁共振仪已经被广泛应用于医疗检查中，成像参数多、扫描速度快、组织分辨率高和图像清晰，可以更好地满足临床应用和科研工作。而且核磁共振是磁场成像，没有放射性，对人体无伤害，非常安全。此外，利用超导材料中的约瑟夫森效应制作的量子干涉仪（SQUID），是世界上灵敏度较高的磁传感器，可以分辨微弱的地磁场变化，灵敏度高、噪声低、功耗小、响应速度快。发现超导的约瑟夫森效应后，科学家们很快意识到其两种状态（超导态和常态）间快速（低于1皮秒即10^-12秒）转换特性在超高速计算机中的应用前景。20世纪80年代末90年代初，国外取得重要进展，铌/氧铝/铌约瑟夫森结芯片具有极好的热回复特性，速度大大高于硅器件，快单磁通量子可以方便地实现构成新型数字电路，超导计算机具有速度极快，功耗极小，工艺简单等优点，其基本原理利用超导态下量子干涉仪（超导量子接口设备）在微小电流下可以存储或释放一份磁通量的原理，量子干涉仪中磁通量的有无表示“1”和“0”。工作在超导态，工作频率可达100吉赫。利用超导体产生的巨大磁场，应用于受控制热核反应。核聚变反应时，内部温度高达1亿到2亿摄氏度，没有任何常规材料可以包容这些物质。而超导体产生的强磁场可以作为“磁封闭体”，将热核反应堆中的超高温等离子体包围、约束起来，然后慢慢释放，从而使受控核聚变能源成为21世纪前景广阔的新能源。