Nadprzewodnictwo to zjawisko całkowitego zaniku oporu elektrycznego występujące w wielu metalach i półprzewodnikach oziębionych do dostatecznie niskiej temperatury (ułamków, kilku lub kilkunastu kelwinów -zależnie od rodzaju substancji).

Od momentu, kiedy w 1908 H. Kamerlingh-Onnes skroplił hel który w stanie ciekłym ma on najniższą temperaturę wrzenia, wynoszącą pod ciśnieniem atmosferycznym zaledwie 4,2 K, a przez zmniejszenie ciśnienia nad wrzącym ciekłym helem jego temperaturę można obniżyć nawet poniżej 1 K, fizycy uzyskali możliwość prowadzenia badań w najniższych temperaturach. Jednym z problemów, który w owym czasie wywoływał wiele dyskusji, był mechanizm przewodnictwa elektrycznego ciał stałych w niskich temperaturach, a konkretne pytania sprowadzały się do charakteru zależności oporu elektrycznego metali od temperatury.

Powszechnie sądzono, że przy zmniejszaniu temperatury do zera bezwzględnego opór elektryczny metali powinien dążyć do stałej, skończonej wartości. Doświadczalne badania w tym zakresie podjął sam Kamerlingh-Onnes.

Cel, jaki postawił sobie, był następujący: zbadać opór oczyszczonej rtęci w możliwie najniższej temperaturze. W tym czasie, w Leidzie (miejsce pracy Kamerlingha-Onnesa) jako środka chłodzącego stosowano skroplony trzy lata wcześniej hel, który wrze w temperaturze ok.4 K  (~-269°C). Wyniki jego pomiarów były zaskakujące. Kamerlingh-Onnes zauważył, że począwszy od temperatury wynoszącej ok. 4,3 K opór jej gwałtownie spada i zupełnie znika poniżej 4,23 K. Zjawisko całkowitego zaniku oporu elektrycznego nazwano nadprzewodnictwem. Dalsze badania wykazały, że zjawisko to występuje także w wielu innych metalach. Substancje w stanie nadprzewodnictwa nazwano ogólnie nadprzewodnikami.

Przez długie lata sądzono, że nadprzewodnictwo to po prostu to samo, co doskonałe przewodnictwo elektryczne. Dopiero w 1933 W. Meissner i R. Ochsenfeld, badając magnetyczne własności nadprzewodników, wykazali, że substancje te mają inne własności magnetyczne niż hipotetyczne przewodniki doskonałe. Pomiary wykazały mianowicie, iż pole magnetyczne indukuje w próbce nadprzewodnika takie prądy, że ich pole magnetyczne dokładnie kompensuje wewnątrz materiału pole zewnętrzne. Zjawisko to, zwane zjawiskiem Meissnera, jest bardziej podstawową i charakterystyczną cechą nadprzewodników niż zanik oporu.

Istotę zjawiska nadprzewodnictwa wyjaśnili teoretycznie w 1957 J. Bardeen, L. Cooper i J.R. Schrieffer (matematyczną teorię nadprzewodnictwa ogłosili w roku następnym N.N. Bogolubow i współpracownicy). Teoria Bardeena, Coopera i Schrieffera (nazywana często teorią BCS), zyskała ogromne uznanie, którego efektem było przyznanie jej autorom nagrody Nobla w 1972 roku.

Według tej teorii, przy obniżaniu temperatury może w pewnym momencie pojawić się przyciąganie pary elektronów( z elektrostatyki wiemy, że jednoimienne ładunki odpychają się ). Oddziaływanie pary elektronów jest bardzo niskoenergetyczne (łatwo ulega zniszczeniu) i tworzący się twór nazywa się parą Coopera. Dzieje się tak, dlatego, że przy obniżaniu temperatury ciężkie kationy metali, tworzące jego sieć krystaliczną, coraz mniej wychylają się z położeń równowagi (prawie przestają drgać) i w pewnej temperaturze ich drgania są minimalne. Wtedy może pojawić się subtelny efekt związany z oddziaływaniem elektronu i kationu metalu z sieci krystalicznej. Jeśli w pobliżu kationu przeleci elektron, to w wyniku przyciągania, ciężki kation odchyli się nieco w jego stronę, co w efekcie spowoduje niewielkie odkształcenie sieci krystalicznej. Ten odkształcony kation będzie nieco silniej oddziaływał na inny elektron znajdujący się w pobliżu i "zmusi" go do poruszania się śladem pierwszego elektronu. Wzrost temperatury powoduje zwiększenie drgań sieci i to subtelne oddziaływanie zanika. Już w temperaturach rzędu 70 K (około -200°C) i wyższych, drgania sieci są tak duże, że nadprzewodnictwo nie powinno występować. Do kwietnia 1986 roku sytuacja w dziedzinie nadprzewodnictwa wyglądała mniej więcej tak. Nadprzewodnictwo stwierdzono dla ponad 20 metali, wśród których najwyższą temperaturę krytyczną posiadał niob (9,5 K). Z kolei stop niobu z germanem Nb₃Ge miał najwyższą znaną wówczas temperaturę krytyczną równą 23,2 K (-250°C). Stwierdzono również, że nadprzewodnictwo występuje w przypadku związków metali z niemetalami. Przykładowo temperatura krytyczna dla związku niobu z azotem wynosi 17,3 K, a molibdenu z azotem 13 do14,8 K. Nadprzewodnictwo stwierdzono również w przypadku tlenków (mieszany tlenek litu i tytanu Tc=13,7 K, strontu i tytanu = 1 K), siarczków (siarczek molibdenu i miedzi =11 K) jak również i wodorków.

W 1971 roku, profesor Skośkiewicz stwierdził, że wodorek palladu, przechodzi w stan nadprzewodnictwa w temperaturze 9 K. Spowodowało to istną burzę wśród fizyków. Chodziło, bowiem o to, że teoria BCS przewiduje, że temperatura krytyczna powinna być odwrotnie proporcjonalna do masy atomowej nadprzewodnika. Jeśli policzy się temperaturę krytyczną dla wodoru, który ma najmniejszą możliwą masę atomową, to otrzymuje się temperatury krytyczne rzędu 500 K, a więc ponad 200°C. Trzeba jednak dodać, że dotyczy to metalicznej odmiany wodoru, której wówczas i do tej pory nie udało się otrzymać. Ale (jak mówi teoria), jeśli już raz uda się otrzymać metaliczny wodór, to powinien on wykazywać znaczną stabilność i być trwały w temperaturze krytycznej i wyższych. Późniejsze badania dowiodły jednak, że w wodorku palladu nie występuje metaliczny wodór i, jak wynika z pracy opublikowanej w 1998 roku, nie tworzy się on nawet pod ciśnieniem ok. 3,5 miliona atmosfer.

Jednak prawdziwym ewenementem w historii badań nad zjawiskiem nadprzewodnictwa, stało się odkrycie występowania zjawiska nadprzewodnictwa w temperaturze 35 K w związku na bazie lantanu, baru, miedzi i tlenu (La-Ba-Cu-O), dokonane przez Karla Alexa Mullera i Johannesa Georga Bednorza z laboratorium firmy IBM w Zurychu.

Praca informująca o tym odkryciu, która ukazała się drukiem w sierpniu 1986 roku w "Zeitschrift für Physik", spowodowała istną lawinę następujących po sobie doniesień z różnych stron świata o podobnych rezultatach.

16 lutego 1987 roku Narodowa Fundacja ds. Nauki (USA) zakomunikowała, że grupa fizyków z Uniwersytetu Alabama w Huntsville oraz z Uniwersytetu w Houston zaobserwowała występowanie nadprzewodnictwa w temperaturze 92 K, a zatem w temperaturze znacznie przekraczającej temperaturę wrzenia ciekłego azotu (77 K)! Komunikat ten zelektryzował środowisko fizyków tym bardziej, że do momentu ogłoszenia tego odkrycia drukiem  naukowcy  nie ujawniali składu chemicznego związku o tak wysokiej temperaturze krytycznej. Przez dwa tygodnie, jakie dzieliły dokonanie odkrycia i ogłoszenie o nim komunikatu drukiem, odmawiali oni wszelkich wyjaśnień, dotyczących prowadzonych przez siebie prac. Stabilne i powtarzalne przejście do stanu nadprzewodzącego w temperaturze pomiędzy 80 a 90 K zostało jednoznacznie stwierdzone metodą oporową, jak i magnetyczną w nowym związku na bazie itru, baru, miedzi i tlenu (Y-Ba-Cu-O) pod umiarkowanym ciśnieniem.

W niedługim czasie pojawiły się kolejne doniesienia pochodzące z innych ośrodków naukowych.

25 lutego 1987 r. wieści o nadprzewodnictwie w tlenkach baru, itru i miedzi nadeszły z Chin,  potem z Japonii i ZSRR. W ciągu krótkiego czasu nadprzewodnictwo w temperaturze powyżej 90 K stało się bardzo powszechnym zjawiskiem. Na sesji Amerykańskiego Towarzystwa Fizycznego 18 marca 1987 r. naukowcy z grup badawczych w Ames, Broockhaven, Los Alamos, ATT Bell Labs,Tokyo, Houston i Huntsville donosili o stwierdzeniu wysokotemperaturowego nadprzewodnictwa w całej klasie związków typu RBa₂Cu₃O₉, gdzie R oznacza metal ziemi rzadkiej jak: erb, europ, dysproz, holm, gagolin, itr, lantan, lutet, neodym i samar.

Niebywałe wprost zainteresowanie, jakie zostało wywołane odkryciem nowych materiałów nadprzewodzących, wynika w dużej mierze ze względnej prostoty technologii ich otrzymywania. Jak wyraził to K.A. Müller - "... nie przekracza ona możliwości pracowni chemicznej szkoły średniej".

Odkrywcy nadprzewodnictwa w temperaturze, przekraczającej 90 K - grupy naukowców z Houston i Huntsville - otrzymali swoje próbki w reakcji termicznej z następujących substratów: tlenku itru (Y₂O₃), węglanu baru (BaCO)₃ i tlenku miedziawego (CuO) - zmieszanych w odpowiednich proporcjach.

Doniesienia o odkryciu nowych materiałów nadprzewodzących spowodowały także duże zainteresowanie ośrodków naukowych w Polsce.

W marcu 1987 roku w Instytucie Fizyki PAN w Warszawie oraz w Instytucie Niskich Temperatur i Badań Strukturalnych PAN we Wrocławiu zsyntetyzowano związki wysokotemperaturowych nadprzewodników oraz potwierdzono występowanie wysokotemperaturowego nadprzewodnictwa powyżej 90 K. W INTiBS PAN utworzono oddzielny zespół, składający się z pracowników naukowych różnych zakładów, w celu kompleksowego zbadania struktury krystalograficznej; własności magnetycznych, elektrycznych i cieplnych nowych związków.

W 1993 roku udało się otrzymać związki o jeszcze wyższych temperaturach krytycznych. U jednego z tlenków miedziowo-barowo-wapniowo-rtęciowych, stwierdzono nadprzewodnictwo w temperaturze bliskiej 140 K (Schilling ze współpracownikami, Szwajcaria.

W październiku 1998 roku, kosztem 5,5 miliona dolarów rozpoczęto w Detroit wspólne przedsięwzięcie firm American Superconductor Corp., Pirelli Cables i USDE (Departament Energii USA) polegające na budowie trzech nadprzewodzących kabli, każdy o długości 130 m, które miały zastąpić tradycyjne kable miedziane w części sieci energetycznej.

Zasadnicza część kabla składała się z dwóch warstw nadprzewodnika, nawiniętych na przewód z ciekłym azotem i przedzielonych izolatorem oraz osłonami z miedzi. Kable z nadprzewodnika umieszczone są w szerszym przewodzie, w którym znajduje się ciekły azot, a całość oddziela od otoczenia szczelna izolacja cieplna. W kablach tych stosuje się najbardziej znany nadprzewodnik YBa₂Cu₃O_6.

Przez nadprzewodzący kabel może płynąć prąd zmienny o natężeniu 2,4 kA przy napięciu 24 kV. Te trzy kable przeniosą prąd o mocy rzędu 100 MW. Straty mocy ocenia się na około 0,5%, podczas gdy w przypadkach tradycyjnych linii wynoszą one 5+8%. Kable nadprzewodzące umożliwiają przesyłanie 3 do 5 razy większych mocy niż kable tradycyjne, a jeśli średnice kabli są takie same to nawet 100 razy większych.

W styczniu 1999 roku firma American Superconductor wspólnie z partnerami rozpoczęła realizację projektu współfinansowanego przez USDE, dotyczącego budowy nadprzewodzącego transformatora o mocy 10 MW. Wykorzystanie nadprzewodników miało  poprawić pracę transformatora,  dzięki znacznie mniejszy, stratom energii,  mniejszym rozmiarom i masie.

W Devens stan Massachusetts  wybudowano fabrykę, która ma produkować kable nadprzewodzących. Kable będą stosowane do budowy linii energetycznych, silników przemysłowych i generatorów prądu.

19 lipca 2000 roku, firma American Superconductor doniosła o uruchomieniu pierwszego na świecie silnika, w którym zastosowano przewody z nadprzewodzącego drutu. Silnik ten ma moc 1000 KM i jest tańszy niż tradycyjne silniki o 25 do 40%. Podano również, że firma pracuje nad silnikiem okrętowym o mocy 33 000 KM.

Elektromagnesy nadprzewodnikowe o dużej jednorodności pola magnetycznego stanowią istotną część aparatury do rezonansu jądrowego, są również używane do badań plazmy, w mikroskopach elektronowych można stosować soczewki magnetyczne z uzwojeniem nadprzewodzącym, co pozwala na uzyskanie większej zdolności rozdzielczej.

W energetyce elektromagnesy takie mogą także służyć do akumulacji energii (w postaci pola magnetycznego), która byłaby wykorzystywana w godzinach szczytowego zapotrzebowania.

Uzwojenia nadprzewodnikowe zastosowano w maszynach elektrycznych, w szczególności w silnikach jednobiegunowych, zwanych unipolarnymi lub homopolarnymi. Tego rodzaju maszyny znajdują zastosowanie w przemyśle chemicznym do elektrolizy, w układach napędzających pompy wodne, walcarki lub młyny w przemyśle hutniczym, górniczym i papierniczym. Dzięki dobremu stosunkowi mocy do masy mogą także służyć do napędu statków i okrętów.

Interesującym rozwiązaniem technicznym wykorzystującym doskonały diamagnetyzm nadprzewodników są łożyska beztarciowe, działające na zasadzie unoszenia nadprzewodnika przez pole magnetyczne. Łożyska takie znalazły zastosowanie w żyroskopach, w których niobowa kula krąży praktycznie bez start energii w próżni, w polu magnetycznym dwóch nadprzewodzących pierścieni.

Liczne zastosowania znalazły nadprzewodniki w technice pomiarowej i obliczeniowej:

Nadprzewodniki znalazły też zastosowanie w elektronice, przykładem jest złącze Josephsona. Jest to warstwowy kriotron nadprzewodzący, czynny element elektroniczny zbudowany z dwóch różnych nadprzewodzących metali rozdzielonych izolatorem. Przy pewnej wartości natężenia prądu w jednym z nadprzewodników pole magnetyczne wywołane tym prądem niszczy stan nadprzewodzący w drugim metalu (efekt Meissnera-Ochsenfelda ). Element taki charakteryzuje się bardzo krótkim czasem przełączenia i małym poborem mocy. Logicznie równoważny jest tranzystorowi.

Na zakończenie możemy zadać pytanie: Czy jest możliwe uzyskanie materiału nadprzewodzącego w temperaturze pokojowej? Odpowiedź na nie przyniesie najbliższa przyszłość.