鐵基超導研究：以老帶新坐熱基礎研究“冷板凳”

邱晨輝

1月10日，以趙忠賢、陳仙輝、王楠林、聞海虎、方忠為代表的中國科學院物理研究所（下稱“物理所”）和中國科學技術大學（下稱“中科大”）團隊，憑借“40K以上鐵基高溫超導體的發現及若干基本物理性質研究”，獲得了2013年國家自然科學一等獎，這是中國自然科學領域的最高獎。

此前，這一科學成果早已在國際學界名聲斐然。國際知名科學刊物《科學》在“新超導體將中國物理學家推到最前沿”的專題評述中評價道：“中國如洪流般涌現的研究結果標志著，在凝聚態物理領域，中國已經成為一個強國。”

這對基礎研究相對薄弱的中國來說十分不易。更讓人感慨的是，這樣一個巨大的科學成果，9位主要完成人平均年齡只有49歲，倒推到實驗完成時的2008年，這一數字還要減去5歲，這還未把平均年齡20多歲的博士生算進去。可以說，在金融管理等實用專業火爆、基礎研究專業相對被忽視的今天，仍有很多年輕人堅守在科學路上。

超導，全稱超導電性，是指某些材料降低到某一臨界溫度，電阻突然消失的現象。具備這種特性的材料稱為超導體。

科學家麥克米蘭根據傳統理論計算推斷，超導體的轉變溫度不能超過40K（約-233℃）。然而，人類對超導的應用是否確實只能被限制在40K以下，還是麥克米蘭使用的傳統理論本身存在缺陷？40K麥克米蘭極限溫度是否可能被突破？物理學家要做的是在一次又一次的實驗中去證實或證偽這個問題。

1986年，兩名歐洲科學家發現以銅為關鍵超導元素的35K銅氧化物超導體，很快包括中國科學家在內的研究團隊將銅氧化物超導體的臨界轉變溫度提升到液氮溫區以上，突破了麥克米蘭極限溫度，使它成為高溫超導體。

2007年10月以來，物理所研究員王楠林、陳根富研究組也加入這個研究的行列。也就是在那時，在讀博士董靖開始零距離接觸超導。

此前，在董靖心目中，科學家是一出手就解決問題的“大牛”。但當燒過幾十次樣本仍一無所獲時，她才發現并非如此。如果把最終成型的鐵基樣本比作月餅，鐵就是燒月餅所要的材料，而為了讓鐵基樣本達到“超導”的效果，董靖還要在其中摻雜一些諸如砷在內的金屬元素，這就好比是燒月餅要添加餡料和水以符合某種味道，但它們的比例如何調配，則是實驗中不確定的因素，而這還包括需要掌控的火候、燒烤的天數等等。因此，在董靖無數次實驗里，大部分做出來的都是“豆腐渣式的月餅”。

任治安是鐵基超導研究帶頭人、中科院院士趙忠賢研究組的主要成員之一。2008年，還沒過30歲生日的他，是鐵基超導研究9個主要完成人中最年輕的一位。相比董靖，他更有一線實驗操作經驗。他幽默地說：“在基礎研究中，除了最后出成果的，之前研究的名字都叫‘失敗。”

科學家對高溫超導探索的第一次高潮可以追溯到上世紀80年代。1986年，銅氧化物高溫超導體被發現。隨后，由于銅氧化物高溫超導體屬于陶瓷性材料，復雜的制作工藝使其大規模應用難以實現。上世紀90年代中后期，高溫超導研究隨即被“打入冷宮”，相關研究人員紛紛轉到其他領域。

今年已經73歲的趙忠賢是整個團隊中年齡最長者，他記得，那時想要在各種學術期刊，特別是一些影響大的期刊上發表高溫超導論文變得愈發困難。沒有好文章，對于搞基礎研究的人似乎是致命的，但趙忠賢卻仍然堅守著“冷板凳”。他說，要把這個“冷板凳”坐熱了，至少為熱愛科學的年輕人鋪一條路。

直到2007年底，年僅37歲的陳根富從國外回到物理所，并做了個“外人不解”的決定——投入到鑭氧鐵砷非摻雜單晶體的制備中，這個拗口的專業用詞，曾一度被無數國際頂尖物理學家斷言為超導體研究的禁區。

2008年2月，日本化學家細野在四方層狀的鐵砷化合物中發現存在轉變溫度為26K的超導電性，但因為沒有突破麥克米蘭極限溫度，還不能確定鐵基超導體為高溫超導體。

于是，王楠林和陳根富“敏銳”地利用這一研究方法，沖擊鐵基超導的最終結果。2008年3月，中科大陳仙輝研究組和物理所王楠林研究組分別獨立在摻F的SmOFeAs和CeOFeAs中觀測到了43K和41K的超導轉變溫度，突破了麥克米蘭極限，率先證明了鐵基超導體是高溫超導體。

就像是一次爆發，整個實驗做出來，竟不超過3個月。然而，如果從嚴格意義上來計算整個研究的時間，3個月是遠遠不夠的，且不說研究員之前為此所做的實驗準備，僅是王楠林和陳根富在這方面的研究時間“那就是十幾年了”。

目前來看，中國物理研究尤其是超導研究似乎已進入一個水漲船高的時代。2013年2月，中國科學院國家科學圖書館統計顯示，世界范圍內鐵基超導研究領域被引用數排名前20的論文中，8篇來自該研究團隊。

事實上，這已不是趙忠賢團隊第一次摘得中國自然科學的最高獎。1987年，以他為代表的物理所研究團隊獨立發現了起始轉變溫度在100K以上的Y-Ba-Cu-O新型超導體。這一成果榮獲了1989年國家自然科學一等獎。趙忠賢表示，今年的“獲獎作品”正是得益于上次獲獎研究成果的積累和人才培養。“如果未來國際上在超導研究又有新突破，我相信一定有中國人的身影。”

遠的不說，2008年這次研究就培養了不少年輕人。比如，那時26歲的吳濤還是中科大的博士生，他跟著導師陳仙輝做這項研究。如今，他已是該校一位年輕的80后教授。當時只是副研究員的任治安，5年后也已成了研究員。

有人問趙忠賢：“整個過程中的困難是怎么克服的？”他并未將其中的過程一一說出，而是專門談了整個團隊中年輕人的重要性。他說：“這些70后、80后的年輕人，只要給了他們機會，就一定能做出東西來。在我眼中，他們就是一支有激情、肯吃苦、能戰斗、可信賴的隊伍。” ※