半个世纪的超越与导引——记国家最高科学技术奖获得者赵忠贤

文/荆鸿

半个世纪的超越与导引
——记国家最高科学技术奖获得者赵忠贤

文/荆鸿

1987年，赵忠贤及合作者发现液氮温区高温超导体，并在国际上首次公布其元素组成为钇钡铜氧。国际上很多实验室验证了中国的工作，掀起国际高温超导研究热潮。赵忠贤因此于1987年获得第三世界科学院物理奖，这是中国科学家首次获此奖项。1989年，其因“液氮温区氧化物超导电性的发现”获国家自然科学集体一等奖。

2014年初，时隔20余年，赵忠贤等再次凭借高温超导研究问鼎象征中国基础研究原始创新能力的国家自然科学奖一等奖，此前这一奖项已经连续空缺3年。2015年，赵忠贤被授予“马蒂亚斯奖”，这是国际超导领域重要奖项。

50多年前，在非常薄弱的基础上，他进行超导研究。半个世纪过去，作为我国自己培养的一位杰出科学家，他使高温超导扎根中国，跻身国际前列。

为了实现这一梦想，他倾尽最好年华、最大精力，从一名风华正茂的青年耕耘到古稀之年，培养和影响一批优秀人才，传承科学火种。

起跑：超导竞赛拉开帷幕

超导，全称超导电性，是指某些材料在温度降低到某一临界值（即超导临界温度）以下时，电阻突然消失的现象。具备这种特性的材料称为超导体。

超导体看似陌生，其实在我们身边应用广泛：许多医院用的核磁共振成像仪核心部件是超导磁体；北美地区有几千台高温超导滤波器用于手机基站，与传统基站相比大大改善通信质量；2012年发现“上帝粒子”的欧洲核子中心大型对撞机中，几十公里长的超导加速环和几层楼高的超导探测器都是最关键部件……

此外，它还在信息通讯、生物医学、航空航天等领域有着巨大应用潜力，一旦超导技术得到广泛应用，将为人类创造相当可观的效益。正因如此，超导竞赛一直在全世界悄悄进行，各国在超导领域展开激烈竞争。比如，德国利用高温超导磁体涡流加热技术，将热加工铝材的电能转化效率提高了30%。

作为当今物理学界最重要前沿问题之一，超导吸引了无数科学家目光。自1911年人类发现超导以来，已颁发5次诺贝尔奖给10位研究超导的科学家。

然而，令科学家困扰的是，超导体转变温度有一个极限值。科学家麦克米兰根据获1972年诺贝尔奖的BCS理论计算，认为超导临界温度最高不大可能超过40K（K为开尔文温度常用符号，40K约为零下233摄氏度），他的计算得到国际学术界普遍认同，40K因此被称作“麦克米兰极限”。寻找到更高临界温度的超导体，一直是全世界物理学家的研究热点。

1973年，经周总理批示，我国一批年轻学生和学者被派往国外学习，赵忠贤借此机会于1974年到英国剑桥大学进修，接触到世界超导研究最前沿。1975年回国，赵忠贤开始“探索高临界温度超导体”，寻找临界温度在40K以上超导体。

实在太大胆了！好在赵忠贤作为当时极少数“归国人才”得到支持，“探索高临界温度超导体”研究得以在全国组织推广。他带领团队在世界科学界数十年“超导竞赛”中不为浮躁所动、不被质疑所困，始终瞄准科学前沿，在坚守中不断创新突破。截至1986年底，他已组织召开6届研讨会，克服多种困难，为我国在高温超导研究领域突破奠定重要基础。

加速：突破“麦克米兰极限”

“现在我国超导研究能跻身世界前列，与我们对超导认识比较早有很大关系。”如今再谈超导，赵忠贤一直庆幸我国“醒得早”。然而，当年“早醒”的中国缺乏成熟的条件。“以前经费和设备是现在条件的1%，实验条件落后发达国家30年。”赵忠贤回忆说。

面对困难，只能撸起袖子干。没有设备，赵忠贤带领团队自己搭建，尽管条件艰苦到被窝里捉老鼠，赵忠贤仍乐观地认为，自己的相对劣势没有那么大。“相对于其他科学研究来讲，超导材料探索不需要特别高级复杂的仪器，我愿意充分利用现有条件去研究。”

赵忠贤院士

多少个不眠之夜，反反复复试验，累了，赵忠贤就在椅子和桌子上靠一靠，饿了，就煮面条。在最困难的时候，他和团队成员相互鼓励：“别看现在这个样品不超导，新的超导体可能就诞生在下个样品中。”终于，1986年底，赵忠贤团队和国际上少数几个小组几乎同时在镧—钡—铜—氧体系中突破“麦克米兰极限”，获得40K以上高温超导体。一时间，世界物理学界为之震动，“北京的赵”多次出现在国际著名科学刊物上。

与此同时，赵忠贤团队还发现70K超导迹象，这已离77K液氮温区不远。不过，经过反复思考试验，赵忠贤意识到：由于实验样品用原料含有杂质，70K迹象的出现可能是杂质发挥了某种作用。

顶着巨大压力，赵忠贤没有放弃，他主动“引入杂质”。赵忠贤清楚地记得，就在1987年2月19日深夜，他们团队在钡—钇—铜—氧中发现临界温度93K液氮温区超导体！1987年2月24日，中国科学院数理学部举行新闻发布会宣布这一发现，并在世界上首次公布元素组成。

他成功了！赵忠贤等人的发现使得超导体低温环境创造由原本昂贵的液氦替代为便宜好用的液氮，从此在全世界范围刮起液氮温区超导体旋风。赵忠贤所在集体因此荣获1989年度国家自然科学集体一等奖，他作为团队代表获得第三世界科学院物理奖。

超越：铁基超导再掀高潮

1987年，世界性超导竞赛迎来巅峰时刻，赵忠贤作为五位特邀报告人之一参加美国物理学会3月会议。1100人大厅里，挤进3000多人，被高温超导突破吸引来的物理学家挤满整个会场，狂热场面持续7个多小时，报告一直继续到次日凌晨3点。

这场会议后被称作“物理学界的摇滚音乐节”。面对几千人参加的年会作演讲，赵忠贤向世界展示中国超导研究重大突破，倍感光荣与骄傲。赵忠贤说：“荣誉归于国家，成绩属于集体。我就是一个普通人，只是做好了自己的本职工作。”

无论是经历辉煌，还是面对低谷，赵忠贤都能保持一份平和心态，继续潜心研究，厚积薄发。也是这种对科学的孜孜以求，让赵忠贤在20年后再次引领世界热潮，收获超导研究第二次突破。

2008年，日本科学家表示在镧—氧—铁—砷体系中存在26K超导电性，与赵忠贤“在具有多种相互作用四方层状结构系统中会有高温超导电性”新思路是一致的。赵忠贤立刻意识到，这一类铁砷化合物（后来被称作“铁基超导体”）很可能是新的高温超导体。

赵忠贤提出高温高压合成结合轻稀土元素替代方案，带领团队全力以赴。团队里，有负责高温高压合成的、有负责测量以鉴别超导电性的，还有做常压合成、高压物性研究和单晶生长的。他们用从淘汰设备中捡回来的设备做实验，一台被大家叫做“土炮”的压机坏了修、修了坏，把有限的条件用到极限。

很短时间，他们首先做出52K镤铁砷氧氟超导体，紧接着51K钕铁砷氧氟和55K钐铁砷氧氟超导体相继做出，整个团队非常兴奋。很快他们合成绝大多数50K以上系列铁基超导体、创造大块铁基超导体55K最高临界温度纪录并保持至今，为确认铁基超导体为第二个高温超导家族提供重要依据。当时已67岁的赵忠贤带领年轻人几乎通宵工作，完成铁基超导研究最关键三篇论文。

赵忠贤的研究得到国际高度评价。美国《科学》杂志3次报道赵忠贤及其团队工作，并评论，“中国如洪流般不断涌现的研究结果，标志着在凝聚态物理领域中国已经成为强国”。