即使Onnes在当时就能将液化的4He的温度达到超流相变的临界点,只可惜他的注意点并非在于该液体的相变。1927年,WilliamKeesom和MieczyslawWolfke实验发现液4He具有两个液相,两相间的相变温度称为Tλ,温度高于Tλ的称为氦I,温度低于Tλ称为氦II。然而,该相变现象并没有得到应有的注意,氦II的超流特性也延迟到十年后的1937年才被发现并命名。1937年,前苏联物理学家PeterKapitza在研究的液4He的黏度(viscosity)时发现,相比于氦I,氦II的黏度要小1500倍,并作出著名的论断:当温度低于Tλ,氦II进入一个特别的状态,可以称之为超流(superfluid)态。Kapitza因在低温研究的杰出表现而获得了1978年的诺贝尔物理学奖。
1933年,德国物理学家WaltheMeissner和RobertOchsenfeld发现了一个奇怪的现象——当金属处于超导态时,本应穿过其内部的磁力线竟然被排斥到体外,这种现象显示出处于超导态的金属具有完全的抗磁效应,也称为Meissner效应。1935年,FritzLondon和HeinzLondon兄弟俩为解释抗磁现象,提出了了第一个超导理论,他们在二流体模型(two-fluidmodel)的基础上运用麦克斯韦电磁理论创立了宏观超导体电磁理论的基本方程,称为伦敦方程[2]。他们将超导体的电子分为两部分——正常电子和超导电子,并分别以第一伦敦方程和第二伦敦所描述;这两类电子分别构成正常电流和超导电流,唯独超导电子能维持稳定的电流,并根据伦敦第二方程可推导出,超导体外的磁场是以指数衰减方式进入导体内的,因而,大部分磁场被排斥出超导体外。而且,超流电子仅存在于超导体表面。
1938年,FritzLondon首次将玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)与超流两个概念联系在一起,但玻色-爱因斯坦凝聚不适用于具有强相互作用的液氦,前苏联物理学家LevDavidovichLandau因而另辟蹊径,于1941年提出描述液氦II的二流体模型[3],创立了一个二流体力学完备理论,由于该理论的开创性,他获得了1962年的诺贝尔物理学奖。然而,landau的二流体理论只是一个唯象理论,并非从物理统计意义上推导出来的。直到1946年,NikolayNikolaevichBogoliubov真正将玻色-爱因斯坦凝聚与粒子相互作用相结合,创立弱相互作用玻色气体理论,并由三位华裔物理学家李政道、杨振宁和黄克孙进一步拓展。以及,3He(费米子,服从费米-狄拉克分布)没有显示出4He(玻色子,服从玻色-爱因斯坦分布)在温度Tλ时的超流特性,这符合量子统计性质。由于当时超导理论并不太令人满意,Landau与另一位俄罗斯物理学家VitalyLGinzburg一起提出了一个更精准的超导理论[4],也是一个唯象理论,该理论中包含了两个联立的方程,也就是著名的Ginzburg-Landau方程。后来,AlexeiAAbrikosov注意到该理论的不足之处,并于1956年提出理想第二类超导体理论[5],并和以及将于后面提及的GinzburgAnthonyJLeggett分享了2003年的诺贝尔物理学奖。
即使唯象理论对超导世界给出了很好的解释,但很多科学家并不满足于这种没有基于体系微观机体,也没有从量子力学的理论模型出发所推导出来的理论,后来,导致了以J.Bardeen,L.Cooper和R.Schrieffer三人的名字首字母命名的BCS理论[6-7],该理论从微观上以近自由电子模型为基础,把超导现象看作一种宏观量子效应,解释了各种超导的奇妙现象。该三位科学家由于在建立BCS理论上做出了杰出的贡献而分享了1972年的诺贝尔物理学奖。英国物理学家BrianDJosephson因利用BCS理论从理论上预言超导体间存在隧道效应而获得了1973年的诺贝尔物理学奖。值得一提的是,之后另一位苏联物理学家LevPetrovichGor’kov利用某种近似,从BCS理论中导出了作为唯象理论的Ginzhurg-Landau方程[8]。