赵忠贤：高温超导的中国力量

文/王润秋 邢小英

赵忠贤，中国高温超导研究的奠基人之一。1941年1月30日出生于辽宁省新民县。1959—1964年他在中国科学技术大学物理系学习，毕业后被分配到我国低温物理与技术的发源地——中国科学院物理研究所工作。

1974年他被派往英国剑桥大学学习，从事第Ⅱ类超导体量子磁通运动研究，这一现象最早由荷兰物理学家卡末林·昂尼斯于1911年发现，之后不断有科学家为之付出不懈努力。1977年，赵忠贤在《物理》杂志上发文阐述对“探索高临界温度超导体”的看法。从1976年起积极倡导、推动和践行探索高临界温度超导体（以下简称高温超导体）和相关机理研究，为高温超导研究在我国的启动、扎根和发展并进入国际前列作了突出贡献。赵忠贤是国际上最早认识到柏诺兹和缪勒关于“在Ba-La-Cu-O中存在35K超导性可能”（后获诺贝尔奖）的重要意义的少数几位学者之一。该工作与他多年坚持的“结构不稳定性可以导致高临界温度”的思路产生共鸣。1987年2月，赵忠贤及合作者独立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Ba-Y-Cu-O，推动了国际高温超导研究热潮。1987年获得第三世界科学院TWAS物理奖，这是中国科学家首次获此奖项。1989年因“液氮温区氧化物超导电性的发现”获国家自然科学奖集体一等奖（排名第一）。1987年晋升为研究员且当选第三世界科学院院士。1991年当选中国科学院学部委员（院士）。2008年日本一小组报道了LaFeAsO有26K的超导电性，赵忠贤结合他的学术思路，认识到其中可能孕育着新的突破。基于LaFeAs（O，F）压力效应研究，赵忠贤提出轻稀土元素替代和高温高压的合成方案，率先将铁基超导体的临界温度从26K提高到52K，显著超过了40K的麦克米兰极限。很快又合成了绝大多数50K以上的系列铁基超导体，创造了大块铁基超导体55K最高临界温度纪录。2013年，赵忠贤因“40K以上铁基高温超导体的发现及若干基本物理性质研究”荣获国家自然科学奖一等奖；2015年，获得国际超导领域重要奖项Matthias奖。2017年1月，他荣获2016年度国家最高科学技术奖。赵忠贤在接触超导后便醉心于超导研究，谁知在这个领域一做就是一辈子，这已成为他不可割舍的一部分。

痴迷科学，选定航向

上小学时，一位姓苏的老师做过一个实验，给他留下了深刻的印象。那是在一次自然课上，苏老师做了一个神奇的实验：在一个玻璃罩里放了一只小老鼠，开始时老鼠没有什么变化，活动很正常；往玻璃罩里增加些氧气，老鼠就表现得很活跃；过了一会儿老鼠把玻璃罩里的氧气消耗了一些，老鼠就变得越来越蔫。这个实验说明氧气太多和太少都会导致老鼠活动异常，是一个说明氧气对生命作用的实验。这个“神奇现象”激发了他对自然奥秘探索的兴趣。每当回想起当年的情景，他都会深情地怀念这位老师。赵忠贤说他后来对自然科学的追求，也许就萌芽于这次小实验。在那之后他始终沉迷于这样的“神奇现象”。

赵忠贤，物理学家，2016年度国家最高科学技术奖获得者。中国科学院学部委员（院士），中国高温超导研究奠基人之一。赵忠贤长期从事低温超导研究，探索高温超导电性研究，是中国高温超导研究主要的倡导者、推动者和践行者，为高温超导研究在中国扎根并跻身国际前列作出了重要贡献。图为2017年赵忠贤在办公室。

在初中时，他对平面几何痴迷，常常在课下与同学讨论交流怎么证明。上高中时，赵忠贤文科理科都不错，是学习成绩优秀的学生。1956年，中共中央提出了“向科学进军”的号召。这一年，一本有重大影响的科普杂志《知识就是力量》创刊了。这本杂志一问世就吸引了赵忠贤，他从杂志中了解到了很多科学技术的新进展，如人造卫星、原子能和平利用、半导体、火箭、自动化等等。这些科普文章使他开阔了眼界，扩大了科技知识面，成了科技爱好者。赵忠贤对物理产生了浓厚的兴趣，解物理难题是他的一大爱好，但更吸引他的是物理实验，他还自己动手制作矿石收音机等。

高考时他将自己未来的发展方向定在了理工科。偶然一次机会，他看到了一本中国科学技术大学招生简章，封面上的火箭环绕地球的图片吸引了他，在他翻开招生简章后发现里面所列的科系都与国家的科学发展有关，还有赵忠尧、钱学森、华罗庚等许多著名科学家在学校任教。在班主任的帮助下，他报考了中国科技大学。

1959年他考入中国科学技术大学物理系。中科大是由中国科学院管理的大学，实施“全院办校，所系结合”的办学方针，很多知名的科学家都自愿到中科大讲课。在这里，赵忠贤聆听过严济慈、钱临照、张宗隧、朱洪元、洪朝生等科学家讲课，也聆听过钱三强等大师的演讲，这些著名科学家的言传身教给赵忠贤留下了深刻的印象，潜移默化地铸造了他思考、观察和解决问题的方式。大师的知识似春雨滋润着学生的心田，似种子播种以后定会生根、开花、结果。赵忠贤畅游在知识的海洋中。

赵忠贤在大学时代第一次接触了超导，从此就陷进了这个高深莫测而又妙趣横生的低温世界。在中科大的五年，正是国家三年困难时期。中科大当时的主楼刚盖好，冬天没有暖气。天气冷，老师讲课讲到一半时，就和同学们一起跺脚取暖，然后继续上课。周末，赵忠贤还经常跑很远的路到东郊拜师学日文。对大多数学生来说，做实验是未来工作的必修课，中科大的实验室即使是晚上也经常开放。赵忠贤在大一的时候就和几个同学到实验室里进行了自己设计的实验，并且有机会到中国科学院物理所的实验室实习，从事真正的科学研究工作。

他根据自己对超导的理解与研究，到实验室进行铅铋合金的实验，考虑熔点比较低，实验室电炉就能炼。当时课题组正在做一种均匀的磁场，他想结合这个课题，看能否通过冻结磁场来做到和证明这一点。选了这个题目歪打正着，做完之后看到美国的《Physical Review Letter》发表了一篇文章，基本流程跟他的实验一样。当时通信比较慢，看到美国文献是在实验之后，别人做的实验应该更早，赵忠贤为相同见解感到高兴。三年的基础课学习结束，他选定了自己事业之舟的航向，以第一志愿攻读低温物理专业。

刻苦钻研，厚积薄发

1964年，赵忠贤从中国科学技术大学毕业，被分配到我国低温物理与技术的发源地——中国科学院物理研究所。在他的回忆里，当时的科研条件是艰苦的，却又是快乐的。在这里，他更多地接触到充满着诱惑力的一个个新课题、一项项新任务。开始，他参加超导计算机器件的研制，把半导体的光刻技术应用到超导器件的制备工艺上。后来，他承担了国防任务，积极参加并领导研制为提供红外雷达和参量放大雷达用的微型制冷机。该系统体积小、振动小，在低温下运转稳定，寿命长。它作为这个所低温技术成果的组成部分之一，曾获得全国科学大会的奖励。

1974年，组织选送赵忠贤去英国学习，他先在英国国家物理实验室，后来进入剑桥大学冶金及材料科学系进修。在导师的指导下，从事有关第Ⅱ类实用超导体的研究课题。为了探索这类超导体的“谜”，赵忠贤在实验室里经过了无数次研究方案的推敲，无数遍精心实验，每天一干就十几个小时，常常工作到深夜。仅仅一年的时间，他发现了第Ⅱ类超导不可逆量子磁通线在运动过程中，从非线性到线性区转变的临界点与临界电流呈线性关系。对此，他的导师、超导物理学家艾维茨博士称赞道：“如果是我的博士生能在三年内做出这样的结果，那就是非常好的。”该项工作曾在第15届国际低温物理学会议上宣读，后又发表在法国的一本学术刊物上。

超导（全称超导电性）是一种宏观量子现象，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。因此具备这种特性的材料称为超导体。所谓“高温超导体”，是指临界温度在40K（约零下233摄氏度）以上的超导体。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，他的计算得到了国际学术界的普遍认同，40K也因此被称作“麦克米兰极限”。因此高温超导体一直是人们密切关注的一个话题。寻找高转变温度的超导体一直是人们的梦想。1975年，美国固体物理学家访华代表团访问中国科学院物理研究所时就曾有人戏言：“除非将室温降到液氦温度，人们才能获得室温超导体。”然而，超导体诱人的应用前景，以及它产生的深远影响，始终受到国际学术界的普遍关注。

1975年回国后，赵忠贤踌躇满志，继续开展对超导材料的研究。由他和所内有关专家共同倡议，自1976年以来，在物理所和物理学会的支持下，汇聚国内超导人才，先后举行了6次关于高转变温度超导体的全国性学术会议，并担任了第5次会议的领导小组组长。1977年的全国自然科学规划会议还把超导技术的研究正式列为凝聚态物理研究的五项重点之一。随后，他在物理所参与组织筹建超导体研究室，担任了该研究室副主任，并多次撰写超导体的科普与评论性文章，在国内予以宣传。无疑，这些努力在推动我国超导研究及其应用的发展方面起到积极作用。同年他在《物理》杂志上发表了关于“探究高临界温度超导体”的文章。1983年,他开始研究氧化物超导体BPB系统及重费米子超导性。

1986年，在美国国际商业机器公司（IBM）苏黎世研究实验室工作的德国物理学家柏诺兹（J. Georg Bednorz）和瑞士物理学家缪勒（K.Alexander Muller）在自己制备的钡镧铜氧（Ba-La-Cu-O）样品中，利用电阻测量发现了35K超导电性的可能性，其研究成果发表在9月中旬出版的德国《物理学杂志》，但这项成果当时并没有得到大多数同行的重视。赵忠贤在1986年9月从图书馆得知4月缪勒和柏诺兹（1987年获诺贝尔物理学奖）发现了钡镧铜氧化合物在30K时存在着超导电性的可能性时，对其进行了认真分析，意识到了它的价值和意义，并作出了积极的反应，与其他科研人员合作开始着手研究。

1986年年底，赵忠贤的团队和国际上少数几个小组几乎同时在Ba-La-Cu-O体系中突破了麦克米兰极限，获得了40K以上的高温超导体。一时间，世界物理学界可以说是地动山摇，传统理论的崩塌让“北京的赵”出现在国际著名物理学刊物上。此时他（或以他为主要参与者）在国内外发表的论文达30余篇，曾在美国、法国和西德等国举行的国际学术会议上宣读过，得到了与会学者的好评和关注，并被国际上有关杂志刊登或选入会议论文集。

1976年至1986年，赵忠贤的研究范围广泛，学术思想活跃，并显露其科研组织工作的才能。他和同事们、研究生与有关单位合作，主要集中于两个方面的研究工作：一是亚稳相的材料，二是非常规超导体。

1987年赵忠贤团队小组独立地发现了液氮温度超导体，并首先向世界上公布了其化学成分Ba-Y-Cu-O（后来都称之为YBCO），这一研究成果推动了很多国家的超导研究。液氮温度超导体是集体智慧的结晶，共同努力的结果，这次研究工作的学术带头人赵忠贤更是熬过多少个不眠之夜。或许就是这样，挑战与胜利往往结伴而来。

1987年，美国物理学会邀请赵忠贤作为5位特邀报告人之一，参加被称作物理学界的摇滚音乐节的3月会议，会议持续了7个多小时。5位特邀报告人是：瑞士的Muller（缪勒）、日本的Tanaka（田中）、美国的Paul Chu（朱经武）、中国的赵忠贤和美国的Batlogg。赵忠贤作为这5位特邀演讲者之一在会上作了报告，接着又作为特邀学者出席了有关高温超导的新闻发布会。在当时，这是中国科学家国际学术舞台上少有的亮相，标志着中国高温超导研究跻身于国际前列。会议组织者之后激动地说道：“……是他们开动了引擎。”顿时，在盛况空前的会议大厅内外，爆发出雷鸣般的掌声。此情此景，赵忠贤的心醉了，有什么比为祖国赢得荣誉更能令人激动呢。

在1987年，柏诺兹和缪勒因发现金属氧化物高温超导体，获得了诺贝尔物理学奖。当时有人认为如果中国的研究条件能够好些，那么超导的诺贝尔奖获得者就可能有中国人了（言外之意：就可能是赵忠贤了）。然而，赵忠贤不以为然地说：“你说得不对。如果我们条件好，取得的研究成果是会更快、水平更高，但是也应该是柏诺兹和缪勒拿奖。他们是打开窗户的人、是开创者，他们对氧化物超导的认识比我们深刻。同时，搞科学要有精神，一味强调客观，什么事情都做不成了。”可见他做研究是为科研工作贡献一份力量，不是为了外在因素。

1988年，赵忠贤担任全国超导技术联合研究开发中心副主任、《低温物理学报》副主编等职。1987年晋升为研究员并当选第三世界科学院院士。但在诚挚的祝贺与荣誉面前，他更多的是注视未来。应该说，在千载难逢的超导研究重大突破和激烈的角逐中，机遇之于赵忠贤，是和他执着的追求联系着的。中国的国情限制，研究力度以及投入与国外相差很远。

一辈子只做一件事

2008年他再次取得世界水平的重大科学成果。他提出了高温高压合成结合轻稀土元素替代的方案，并领导研究小组采用高压合成方法合成了绝大多数临界温度50K以上的铁基超导体，并创造了铁基超导临界温度55K的纪录。他的发现为确认铁基超导体为第二个高温超导家族提供了重要依据，实现了高温超导研究领域的第二次突破。

在这期间，他以67岁的年纪3次带领年轻人几乎通宵工作，完成了初期最关键的3篇论文。在赵忠贤看来，搞科研最重要的一点是能够迅速抓住问题的本质，并驾驭自己的知识和能力去解决它。他说：“如果说我做科研有什么优势，那就是我的科研直觉比较准，我能够感觉到正确的方向在哪里。而这种科研直觉来自大量的经验，来自在长期坚持后的积累，是长期积累的升华吧。”

美国《科学》杂志3次报道赵忠贤小组的工作，予以充分肯定。赵忠贤小组的成果作为“40K以上铁基高温超导体的发现及若干基本物理性质研究”的重要部分，荣获2013年度国家自然科学奖一等奖。赵忠贤在铁基超导研究中的突破让铁基超导材料走向应用成为可能。铁基超导材料在工业、医学、通信、国防等诸多领域具有广阔的应用前景，被认为是最具发展前景的新型高温超导体之一。

现在医院里用的部分核磁共振成像仪的核心部件是1.5特斯拉（磁感应强度的度量单位）或3特斯拉的超导磁体。北美地区有几千台高温超导滤波器用在手机基站上，与传统基站相比大大改善了通信质量。2012年发现“上帝粒子”的欧洲核子中心的大型对撞机中，几十公里长的超导加速环和多个有几层楼高的超导探测器都是最关键的部件。

超导体在航空航天、信息通信、能源存储等领域有着重要应用前景。国内已经有电厂使用超导技术，在国外，德国利用高温超导磁体的涡流加热技术，将铝材热加工的电能转化效率提高30%。一旦超导技术得到广泛的应用，将为人类创造相当可观的效益。日本已计划在2027年开始运行采用超导的时速500公里的磁悬浮列车新干线。自1911年人类发现超导以来，诺贝尔奖已5次颁发给10位研究超导的科学家。

2016年9月，我国研制出全球首根百米量级铁基超导长线。这一消息在业内引起极大的轰动，被认为是铁基超导材料从实验室研究走向产业化进程的关键一步，在美、日、欧等国家的铁基超导线制备还处于米级水平的时候，我国已走在世界最前沿。这一切，与中科院院士、物理学家赵忠贤在铁基高温超导研究上的突破是不可分割的。

半个世纪以来，赵忠贤的名字一直与我国超导发展紧密相连。他在我国最早提出要探索高温超导体；最早建议成立国家超导实验室；在高温超导研究出现的两次重大突破中都作出了重要贡献，代表中国站到国际物理学界的大舞台；他的研究成果曾两次获得国家自然科学奖一等奖。

2017年1月9日，中国科学院院士、中国科学院物理研究所研究员赵忠贤荣获2016年度国家最高科学技术奖。在获得国家最高科学技术奖之后，赵忠贤曾和几个朋友谈到他这些年走过的路，一个朋友说：“1997年你当选中共中央候补委员，争取一个高一点的职务还是有可能的。”赵忠贤笑着说：“我没有那个本事，干不了，我还是老老实实干我的超导吧。我就有这点本事，也许这样还能为国家做点事。”过了一会儿他又说：“有一个名牌大学曾考虑请我当校长。我想过，我真的没有那个本事，还是请别人去做吧。我上大学的时候，只想好好学习，一心只想为国家的科学发展出力，连当个组长的‘野心’都没有。”

1992 年前后，赵忠贤在实验室工作

赵忠贤说：“我这一辈子只做一件事，就是探索超导体、开展超导机理研究。”正是这份专注，使他坚持研究高温超导40余年。从某种意义上讲，科研之路艰难而漫长。正是愿意快乐地面对挑战，即使身处逆境，他也不灰心、不放弃，总是满怀希望。

专注科研，不忘科普

他对物理研究始终保持着最初的热情，并具有一定的敏锐度，能及时发现新的研究方向。对赵忠贤来说，做研究要具备两方面：一是坚韧不拔地献身科学和报效社会的精神，二是不断地提高实验技术水平和分析的能力。最重要的是敢于创新。学习前人“重见解”“尚新知”的传统，同时也有责任积极推动超导应用以造福人类。

赵忠贤不仅专注于自己的研究，也经常鼓励学生，他对学生们说：“不要只盯着论文，要真的去解决科学问题；坚持十年，一定会有突破。现在社会上各种诱惑很多，好像很多选择都比做科研赚钱，但如果选择了科研这条道路，不妨安下心来，坚持一下，我相信你们坚持十年一定会有重大突破。科学家从超导发现伊始就一直在坚持探索新超导体。”

赵忠贤院士曾说过：“高温超导的成果犹如一滴水，滴水成涓，汇聚到人类文明的长河之中。一代人做一代人的事。我愿做铺路石子，让年轻的朋友大展宏图。为实现中华民族伟大复兴的中国梦、为人类的文明进步作出新的贡献。”其实，这段话也是他对于科普和科技馆事业的一贯态度。能为国家作出巨大贡献的科学家不在少数，但是既能潜心进行科学研究，又能时时关心科学普及工作，视培养青少年成长为己任的科学家并不是很多，赵忠贤就是这样一位关心科普事业的大科学家!

科学虽是一件严肃的事，但对不同年龄层次的人来说，学习科学的方式也应有所不同，“科普”就是这样一件事。可能大多数人会认为像赵忠贤这样的物理学家没有时间做这些事，他应该把时间都用在做前沿的科学研究上，但在他看来，这件事同样重要。他认为这是科学研究的入门，“了解科学是一种享受，能获新知，引发好奇，提升情趣。”

这个想法也源于1974年至1975年赵忠贤曾赴英国剑桥大学等著名实验室进修。这期间，他去过几次伦敦科学博物馆参观，看到很多青少年在那里活动，熙熙攘攘十分活跃。他想：我们的国家也应有这样的科技博物馆，让孩子们从小就能接触科学，他们长大后才能为我国的科学事业作贡献。还有一个原因在于，赵忠贤特别欣赏两位法国科学家：1991年诺贝尔物理学奖获得者热纳和1992年诺贝尔物理学奖获得者夏帕克。他们二人在荣获诺贝尔奖之后投入很大精力推动中小学的教育改革，并从事一些科普活动。赵忠贤认为这是一名科学家应该做的事情。

总之，虽然超导电性的研究已有百年历史，但依然年轻。超导已经开始造福人类并有着广泛的应用前景，21世纪一定会有新的技术成为经济的新增长点。如果在超导材料方面有新的重大突破，则有可能成为这类新技术的候选者。对超导电性的深入认识一直推动着量子力学和物理学的发展，高温超导体的发现又带来了新的机遇和挑战。这是一个依然充满挑战与机遇的领域，中国科学家应该也能够为人类的文明作出新的、无愧于前人的贡献。在这巨大的进步中，不得不感谢高温超导的中国力量——赵忠贤的无私奉献，有了他的开创性工作的奠基，中国的超导研究将会更上一层楼！