超导态是凝聚态物理中研究最为深刻，也是目前最为容易研究、实锤、且有应用前景的物相之一。超导态是很多凝聚态物理学子的第一个“学例”。接着这样一个机会，我来好好捋一捋人类目前对超导的认识，抛砖引玉，以飨读者。如果能减少大众（普通理工科学生）对现代前沿凝聚态实验物理手段的知识隔阂，那就达到了本文的效果了。
我们对凝聚态物质的理解到了什么阶段？
过去几十年，凝聚态物理取得了或许不亚于生物学的史诗级别的进展，人类或许已经拥有了前所未有的研究简单的质子、中子、电子组成的固体物质以及与其相互作用的光子甚至\mu 子的手段。
我举几个各行各业简单的例子：
- 非常商业化的易于获得的实验环境，包括绝对零度以上仅0.01度的温度环境(小于-273.14摄氏度,10mK)，高于地磁场400000倍的磁场环境（>14=T) 都是花钱都可以买到的[1]。在特殊的实验室，更有仅<1mK的绝热去磁设备[2]和>70T的脉冲强磁场设备[3]。
- 纯度超过99.99999999的二维电子气样品[4]. 其上的分数量子霍尔效应不仅仅在几十年前启发了拓扑量子计算，目前也是非常活跃的研究分数化奇异量子激发的平台[5]。
- 更加新奇的物态逐步被发现。包括拓扑物态[6]到近年来更多分数化物态的发现、从铜基到铁基，镍基[7]超导再到二维可控材料中强关联超导，二维可控材料，包括莫尔物理导致的新奇物态等等。
- 在很多大陆上都可以找到超导量子平台，利用超导和微波光子的相互作用，人们现在可以以很高的精度和较低的损失操控和测量量子态，甚至可以用来模拟其他复杂物态[8]。同样的，离子阱、中性原子、光子系统等等在量子态的操控上也达成了非凡的进步。其中，凝聚态物质的理解和研究，有着至关重要的作用。尤其是因为这些原子分子光物理的进展，改变了我们甚至对度量衡的定义。
- 世界各地都建立起了极为先进的光源，通过同步辐射和自由电子激光和强脉冲激光，我们可以通过ARPES[9]在微米尺度上成像电子的结构（能带），提供高温超导体的配对机理[10]、理解各种新奇物态(e.g., 电荷密度波）的机理、动力学[11]等等。世界各地都建立起了极为先进的中子或 \mu 源用于中子散射实验、 \mu 自旋谱学，来研究材料例如新奇超导体的磁性。
- 世界各地都建立起了极为先进的扫描技术，包括不限于：扫描电子显微镜(SEM)用于样品形貌和成分表征，扫描透射电子显微镜(STEM)可以看到一个一个的原子，扫描隧道显微(STM)可以测量样品的形貌和新奇物态对电子的响应、鉴别超导体等等，扫描单电子显微镜(S-SET)可以测量新奇物态的电子量子电容从而获得熵的信息，扫描纳米超导量子干涉仪和扫描钻石色心，可以测量样品表面的磁场分布，扫描近场光谱学可以在纳米尺度研究物态对光的响应，扫描化学探针、微波探针、等等。。。只要是在亚微米尺度甚至十纳米尺度存在的物态，这些扫描技术都能很好的研究。
实验上如何验证超导体？
超导是一种电子的凝聚态“绝缘态”，也是目前最为容易研究、实锤、且有应用前景的物相之一。事实上，超导体广泛存在。我们使用的铝，就是广泛使用的用来构造超导量子芯片的材料。我们使用的电焊材料——锡——也是一个很好的超导体，机械性能很好的钛也是一个很好的超导体。由于超导只超导，而不“导电子”，导致其在低温导热性极差，这时常使得低温制冷设备难以继续对超导体连接的样品降温。其完全抗磁性还会干扰磁场下的信号。搜寻好用的、不超导的材料(比如SILVALOY 560)，是一个很重要的低温工程学方向。
证明一个块材料超导体，一般只要求三个简单的判据：
- 任何表(现代的lockin测量努努力至少可以到 ~1 nV/\sqrt(Hz) 的低噪音)都测不到的电阻，这是对数据质量比较合理的要求。
- 磁学测量。一般会测量DC和AC磁信号，来验证完全抗磁性——Messiner 效应（绝对抗磁性）。
- 比较可以重复的实验，样品可以寄出去给别人测。
第二步，就是确定约瑟夫森效应。一般会简单的把样品和其他超导接一下，做个超导量子干涉仪。
当然，这只是初筛。初步确定超导态对数据的要求不高，有着相对漂亮的数据就可以了。由于现代的物理实验室一般都有自己的绝招（长样品、上面的扫描技术等等，换言之，比较卷。。），还会要求更多的测量，我自己如果有条件会：
- 测测XRD等等，把结构搞清楚。现在这个年代直接上STEM看原子吧。。
- 如果研究者对数据有高要求，尤其是对于非超导态电阻已经很低的材料，一般会使用低温超低噪声放大器，测量到低于噪音水平的级别[12]，严谨的研究者目前甚至会使用超导干涉比较设备来严谨的标准零电阻。
- 暴力卷，做个电阻随着参杂、加压力和温度关系的相图。把热力学都过一遍：拉一拉(elastic)、热一热(热容）等等，说不定周围有比超导厉害的多的相呢。
- 谱学测量走一遍。ARPES看电子结构、超导结结构，光学（微波红外可见UVXray）。
- 干涉效应走一遍。转动结、异制结、JJ,SQUID, .....
- 扫描技术走一遍。超导不是什么新奇的物态，但是超导旁边呢？STM，SQUID，。。。
当然，这是理想情况。非理想情况有几种，第一，样品的结晶性不好（换句话说，不是个样品。。），可以采用扫描技术来替代上面的判据。
- 第一个扫描技术是扫描探针，由于超导是电子成对，用一个探针穿透真空打进超导体，会和普通金属很不一样。一般会测出来一个超导的能隙，而且原子分辨哦，某站上有教手撸STM的，几千块钱搞定。
2.第二个替代磁学测量的技术是扫描超导干涉仪，利用超导量子干涉仪(SQUID)对磁场极为敏感的特性，在一个探针上制备SQUID，然后扫描样品表面。一般能看到很清楚的量子涡旋。扫描磁力显微（MFM）或许也可以吧。
3. 卷单晶才是王道- -
如果上面的几个扫描不好做，可以先做做微纳加工，但是微纳的样品就很难测了。空间中漂浮的4G，WIFI等等信号，都会导致一些不好的准粒子激发，使得零电阻态很不稳定[13]尤其是样品很不均匀，有的时候什么都能测到，比如奇异金属。而微纳的样品的磁学热力学测量是老大难，镊子夹一下磁学信号就变了。对于二维和低维超导，一般就是结合电阻测量、扫描测量决定。低维度超导的好处是，一些点、线杂质会使得系统自然形成约瑟夫森结，测个didv直接就能看到干涉条纹，比如Y. Cao, et al, twisted bilayer graphene. 一般低维超导还加个BKT相变的表征。
越说越专业了，反正越想越是真是个超导体，超导很不难测- -
参考
- ^https://bluefors.com/products/bluefors-products/
- ^https://www.phy.pku.edu.cn/xilin/RESEARCH.htm
- ^https://whmfc.hust.edu.cn/english/Facility/Measurement_stations.htm
- ^http://faculty.ee.princeton.edu/pfeiffer/
- ^https://www.nature.com/articles/s42254-020-0209-1
- ^https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2016/press-release/
- ^https://www.sysu.edu.cn/newsen/info/1701/77332.htm
- ^https://blog.research.google/2023/06/the-worlds-first-braiding-of-non.html
- ^https://www.shanghaitech.edu.cn/eng/2021/1014/c1260a76644/page.htm
- ^https://arpes.stanford.edu/research/quantum-materials/cuprate-superconductors
- ^http://info.phys.tsinghua.edu.cn/zhou/
- ^https://www.cmr-direct.com/en/cryogenic-transformers
- ^https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aau3826