高溫超導的”前世今生”與未來

解讀“2016年度國家最高科學技術獎”

趙忠賢院士獲得2016年度國家最高科學技術獎，以表彰他對我國高溫超導研究做出的杰出貢獻。趙忠賢院士不僅在高溫超導研究方面取得了舉世矚目的成就，而且對我國的高溫超導研究從起步、到追趕、到躋身國際前列均做出了重要貢獻，他的獲獎，既是實至名歸，更是眾望所歸。

周興江

中國科學院物理研究所研究員、博士生導師, 超導國家重點實驗室主任。1988年畢業于清華大學，1994年在中國科學院物理研究所獲博士學位，1997~2006年為斯坦福大學物理學者兼Berkeley國家實驗室束線科學家。2004年入選中國科學院“百人計劃”，2005年獲“國家杰出青年科學基金”。2008年獲首屆周光召基金會“杰出青年基礎科學獎”，2013年獲全球華人物理和天文學會“亞洲杰出成就獎”，2015年獲國家自然科學二等獎，第三世界科學院TWAS物理獎。研究方向為高溫超導體電子結構和超導機理。

1、超導是一種神奇的宏觀量子現象

超導電性是由荷蘭科學家Kamerling Onnes于1911年發現的，是指一些材料在某個臨界溫度以下電阻為零的現象。超導材料的兩個基本特性，零電阻和抗磁性，賦予了超導體許多重要的應用。超導已有了一些重要的實際應用，如用于醫院里的核磁共振成像、高能加速器、磁約束核聚變裝置等。電源傳輸、磁懸浮列車、量子計算則代表著超導的重要潛在應用。但長期以來，制約超導體廣泛應用的一個主要瓶頸，在于其極低的超導臨界溫度。

超導研究一直是科學界的熱點和重要課題。自1911年發現以來，超導研究始終沿著兩個重要的方向發展，一是探索新的超導材料，不斷提高超導轉變溫度，另一個則是闡明超導機理。1911~1986年近70年，盡管超導臨界溫度得到逐漸提高，但進展緩慢，長期停留在23.2K的門坎。1957年，3位美國科學家Bardeen，Cooper和Schrieffer提出了著名的BCS超導理論，完美地解決了超導電性的機理問題。BCS超導理論認為，超導電性是兩兩配對的電子在低溫下凝聚而產生的，電子配對則是通過兩個電子之間交換聲子實現的。基于BCS超導理論，McMillan(麥克米蘭)認為，超導轉變溫度可能存在上限，即所謂的麥克米蘭極限，一般認為不超過40 K。

麥克米蘭極限能否被打破? 是否存在超導溫度超過40 K的“高溫超導體”? 是否存在液氮溫區(77 K)以上的超導體? 這些問題不僅是一個謎，更是科學家孜孜追求的夢想。在不斷探尋的過程中，也不時會出現關于發現高溫超導體的報道，但最終就像神秘的UFO一樣，被歸結為USO之列(Unidentified Superconducting Objects, 無法重復證實的高溫超導體)。

2、我國高溫超導研究的起步

我國的超導研究起始于20世紀50年代后期，是老一輩科學家先后實現了氫氣和氦氣的液化之后，才具備了開展超導研究必要的極低溫條件。1974年，趙忠賢在劍橋大學進修期間，在導師艾維茲(Jan Evetts)的實驗組開展了有關第II類超導體中磁通流動問題的研究并有所發現。1975年9月中旬回國，趙忠賢經過一段時間的考慮和征求中國科學院物理研究所(簡稱物理所)領導意見后，1976年決定從事“探索高臨界溫度超導體”研究。

1977年，趙忠賢在《物理》上發表了“探索高臨界溫度超導體”一文，闡述了他當時對傳統超導理論發展趨勢的概括和獨到的見解。他認為“結構不穩定性有利于高臨界溫度”，這是他早期探索高溫超導的思路。他認為被普遍接受的麥克米蘭極限40 K是有可能被突破的。他贊同國際上某些科學家的觀點“如果有很強的結構不穩定性又能保持不發生結構相變。超導臨界溫度能夠達到40~55 K”。特別是他認為“復雜的結構或新機制有可能達到80 K臨界溫度”，在當時是相當大膽的觀點。他強調的“超導電性可以來源于不同機制”的觀點，至今仍被廣泛認同。

趙忠賢作為先驅之一開啟了我國高溫超導研究。自1976年起他大力推動高溫超導研究。作為積極分子積極參與組織全國性的“全國探索高臨界溫度超導體討論會”(后改名為高臨界參數超導體)，每兩年一次。截至1986年11月，十年間共舉辦了6次，促進了學術交流合作。他早期所從事的這些工作及十年的積累(1976~1986年)，為后來我國的高溫超導研究匯聚了一批人才，為中國學者在第一次國際高溫超導熱潮中取得成就奠定了基礎。使得在20世紀80年代改革開放初期實驗條件相當落后的條件下，我國在高溫超導領域，特別是材料方面能抓住先機，取得突破并處于國際領先地位。

▲1987年液氮溫區銅氧化合物超導研究集體的部分成員(前排左一趙忠賢)

3、銅氧化物高溫超導體的發現及其意義

1986年，在國際商業機器公司(IBM)蘇黎世研究實驗室工作的Bednorz和Mueller， 發表了在Ba–La–Cu–O體系中可能存在35 K超導電性的工作，與趙忠賢探索高溫超導的思路發生了共鳴。基于多年形成的學術觀點和敏銳的直覺，趙忠賢是國際上最早認識到銅氧化物超導體重要意義的少數科學家之一。他立刻積極組織團隊、創造條件，啟動了銅氧化物高溫超導體的研究工作。在那段激情燃燒的歲月里，趙忠賢帶領團隊爭分奪秒，夜以繼日地在實驗室工作，困了就以實驗桌為床，或坐在椅子上打個盹兒，醒了繼續做實驗。在最緊張的時刻，趙忠賢曾連續48個小時沒有合眼。正是以這種忘我的獻身與拼搏精神，他帶領團隊利用自己現搭的爐子和測量設備，在簡陋落后的條件下，取得了舉世矚目的成就。

1986年底，趙忠賢領導的研究小組成功合成了臨界溫度超過40 K的Sr(Ba)–La–Cu–O超導體，突破超導臨界溫度40 K麥克米蘭極限, 并發現了70 K超導的跡象。 這一突破在國際上引起了高度關注，Science雜志報道了中國小組超過40 K極限和70 K跡象的結果。在復現70 K超導跡象的過程中，趙忠賢注意到受原料純度和雜質的影響。用Sr取代Ba的嘗試沒有達到70 K后，在確定新的研究方案時出現了幾種建議，最后趙忠賢在綜合考慮有關想法的基礎上建議并堅持的“在Ba基的、多相的體系中，用Y取代La”的方案取得了基本共識并得以實施。1987年2月19日深夜(20日的凌晨)，趙忠賢等發現了液氮溫區的超導電性: 轉變溫度達92.8 K。文章于2月21日投到《科學通報》并被接收。1987年2月24日，中國科學院數理學部召開新聞發布會，宣布在Ba–Y–Cu–O中發現了液氮溫區超導電性。這是國際上首次公布液氮溫區超導體的元素組成。第二天的《人民日報》刊登了這一新聞，外國通訊社紛紛轉載，這條消息立刻傳遍了世界，推動了世界范圍的高溫超導研究熱潮。

1987年美國物理學會邀請當時國際上高溫超導做得最好的5個小組參加美國物理年會。趙忠賢代表北京小組參加, 并作為5位特邀演講者之一。在一間能容納1100人的大廳里曾擠滿了太多的人，后不得不疏散部分學者看閉路電視。3000多人參加、場面狂熱的會議持續了7個多小時。這就是后來被稱作物理學界的搖滾音樂節的三月會議。隨后趙忠賢又作為特邀學者出席了有關高溫超導的新聞發布會。在當時這是中國科學家非常少有的在國際學術舞臺上的亮相，標志著中國科學家在基礎物理研究方面走向了世界的前列。

1987年第三世界科學院Salam院長在人民大會堂給趙忠賢頒發TWAS物理獎，獎勵他“對高溫超導電性基礎性的和先驅性的貢獻，特別是在Ba–Y–Cu–O體系中實現了液氮溫度以上的超導電性”。以趙忠賢為代表的研究集體因發現液氮溫區氧化物超導體獲1989年度國家自然科學集體一等獎。

液氮溫區高溫超導體發現30多年來，人們進一步認識到了其重要意義。高溫超導體的發現，不僅展現了巨大的應用前景，而且對凝聚態物理中兩個最成功的經典理論提出了挑戰: 一個是描述金屬行為的朗道費米液體理論，另一個是描述傳統超導電性的BCS超導理論。高溫超導體的發現揭開了“強關聯電子體系”研究的全新篇章，為發現新材料、新量子現象和建立新的多體量子理論提供了契機。

1987年，趙忠賢和陳立泉聯名向國務院建議成立國家超導實驗室(后改名為超導國家重點實驗室)，趙忠賢擔任首屆實驗室主任，為建設國際上綜合實力領先的超導研究基地做出了貢獻。

4、鐵基高溫超導體的發現及其意義

2008年，經過了20年對銅氧化物高溫超導體的物理機理研究，趙忠賢在探索新的高溫超導體方面逐漸地發展了一種新的思路，即存在多種合作現象的層狀四方體系中，有可能實現高溫超導。2008年日本Hosono小組報道了層狀結構LaFeAsO體系26K的超導電性，我國科學家迅速反應，不斷突破，在材料和基礎物理方面取得了重要成果。日本小組的報道與趙忠賢團隊多年形成的思路產生了共鳴。他們曾在1993年首先將稀土引入該結構并研究過RECuSeO(RE:稀土元素)體系。趙忠賢立刻認識到高溫超導有可能孕育著新的發現，并帶領團隊全力以赴開展研究，抓住了重要的機遇, 再次取得了突破。

▲2008年5月與發現系列50 K以上鐵基超導體團隊成員在一起(前排左四趙忠賢)

趙忠賢帶領團隊通過研究LaFeAs(O,F)壓力效應的影響，判斷超導臨界溫度有進一步提升的空間。他提出用輕稀土替代，結合高溫高壓材料合成技術，最先在國際上實現超導轉變溫度52 K的氟摻雜鐠氧鐵砷(PrFeAsO)鐵基超導體，顯著超過了40 K的麥克米蘭極限，為確認鐵基超導體是第二個高溫超導家族提供了重要依據。接著是51 K以上的氟摻雜釹氧鐵砷(NdFeAsO)化合物，很快又合成了氟摻雜釤氧鐵砷(SmFeAsO)化合物，其超導臨界溫度提升至55 K，創造了新的記錄，這個塊材鐵基超導體的臨界溫度記錄一直保持至今。他的研究組第一個合成了不含氟的含氧缺位的新的鐵基超導體，最先獲得摻雜元素和摻雜量對超導轉變溫度和晶格常數影響的完整相圖，并采用高壓測量手段，確定了鐵基高溫超導體的超導溫度上限。

Nature, Science, Physics World等爭相報道。Science雜志3次報道與趙忠賢小組有關的工作。趙忠賢小組有4篇論文連續多次被列入世界10篇物理學熱門論文，其中2008年發表在《中國物理快報》的文章單篇他引已超過1000次。鐵基超導入選Science雜志2008年“十大科學突破”，其中提到的“Pr元素替代La”及“超導溫度提高到55 K”均來自趙忠賢小組。

2013年，“40 K以上鐵基高溫超導體的發現及若干基本物理性質研究”榮獲國家自然科學一等獎。2015年，在瑞士召開的第11屆國際超導材料與機理大會上，趙忠賢被授予Bernd T. Matthias獎，這是國際超導領域重要的獎項，每三年頒發一次。此次是內地科學家首次獲獎，以獎勵他“發現臨界溫度高達55 K的系列RE(O,F)FeAs和REO1-xFeAs (RE為稀土元素)鐵基超導體，展現了大塊鐵基超導體臨界溫度的上限”。

鐵基高溫超導體的發現，為人類高溫超導的研究，打開了銅氧化物高溫超導體之外的另一扇大門。打破了鐵元素不利于超導的傳統認識，推動了多軌道關聯電子系統的研究和發展。與銅氧化物一樣，鐵基高溫超導體研究蘊含著豐富的物理內涵。此外，鐵基超導體具有金屬性和非常高的臨界磁場，材料工藝相對簡單一些，有希望用于制備新一代超強超導磁體，有著重大的應用前景。

5、高溫超導研究的啟示和展望

100多年來，超導研究一直是凝聚態物理最活躍的前沿領域，已有5次1人因為和超導相關的研究而獲得諾貝爾物理學獎。這里不乏革命性的思想，如BCS超導理論從單電子的輸運行為跳躍到兩個電子的配對和凝聚。這里不乏打破傳統、獨辟蹊徑、勇于創新、敢為人先的精神和行動。當人們的目光都關注在金屬或合金體系中去尋找新超導體時，在不良導體陶瓷材料和氧化物材料中尋找新超導體顯得那么離經叛道，但卻導致了銅氧化物高溫超導體的發現。當人們普遍認為，磁性和超導是不共戴天時，卻有人在最常見的磁性材料——鐵作為基本單元的材料中，發現了第二個高溫超導體家族。超導100年歷史完美地詮釋了科學發現和發展的歷程。

我國的超導研究，起步比國際上要晚近50年。但目前我國的超導研究，已經躋身國際的先進甚至領先的行列。對一個發展中國家，在一個起步嚴重落后的領域，能實現后來居上，其中的經驗值得總結，這對其他領域發展具有借鑒和啟示作用。

超導研究繼續充滿著驚奇、機遇和挑戰。高溫超導發現30年，超導機理仍然沒有達成共識，解決高溫超導機理被Science雜志列為是人類面臨的125個重要科學問題之一。探索更高超導臨界溫度的超導體，特別是室溫超導體，是人們孜孜追求的下一個夢想。如果能發現室溫超導體，或性能更優越的超導體，將把人類社會帶入超導時代。

趙忠賢是我國高溫超導研究主要的倡導者、推動者和踐行者，在國際上已有的兩次高溫超導突破研究中都取得了舉世矚目的成就，為高溫超導在中國扎根并躋身國際前列做出了重要貢獻。在我國高溫超導研究從追趕到引領世界的進程中，受他影響的幾代優秀人才已成長起來并擔負起實現新突破的責任。正如他所說，“如果哪一天發現了室溫超導體，應該有中國人”。這里面充滿了使命感、信心，也包含著對年輕一代的殷切期望。

周興江. 高溫超導的發展歷程及其重要意義. 科學通報, 2016, 62: 745 ~ 748

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