半個世紀的超越與導引
——記國家最高科學技術獎獲得者趙忠賢

文/荊鴻

半個世紀的超越與導引
——記國家最高科學技術獎獲得者趙忠賢

文/荊鴻

1987年，趙忠賢及合作者發現液氮溫區高溫超導體，并在國際上首次公布其元素組成為釔鋇銅氧。國際上很多實驗室驗證了中國的工作，掀起國際高溫超導研究熱潮。趙忠賢因此于1987年獲得第三世界科學院物理獎，這是中國科學家首次獲此獎項。1989年，其因“液氮溫區氧化物超導電性的發現”獲國家自然科學集體一等獎。

2014年初，時隔20余年，趙忠賢等再次憑借高溫超導研究問鼎象征中國基礎研究原始創新能力的國家自然科學獎一等獎，此前這一獎項已經連續空缺3年。2015年，趙忠賢被授予“馬蒂亞斯獎”，這是國際超導領域重要獎項。

50多年前，在非常薄弱的基礎上，他進行超導研究。半個世紀過去，作為我國自己培養的一位杰出科學家，他使高溫超導扎根中國，躋身國際前列。

為了實現這一夢想，他傾盡最好年華、最大精力，從一名風華正茂的青年耕耘到古稀之年，培養和影響一批優秀人才，傳承科學火種。

起跑：超導競賽拉開帷幕

超導，全稱超導電性，是指某些材料在溫度降低到某一臨界值（即超導臨界溫度）以下時，電阻突然消失的現象。具備這種特性的材料稱為超導體。

超導體看似陌生，其實在我們身邊應用廣泛：許多醫院用的核磁共振成像儀核心部件是超導磁體；北美地區有幾千臺高溫超導濾波器用于手機基站，與傳統基站相比大大改善通信質量；2012年發現“上帝粒子”的歐洲核子中心大型對撞機中，幾十公里長的超導加速環和幾層樓高的超導探測器都是最關鍵部件……

此外，它還在信息通訊、生物醫學、航空航天等領域有著巨大應用潛力，一旦超導技術得到廣泛應用，將為人類創造相當可觀的效益。正因如此，超導競賽一直在全世界悄悄進行，各國在超導領域展開激烈競爭。比如，德國利用高溫超導磁體渦流加熱技術，將熱加工鋁材的電能轉化效率提高了30%。

作為當今物理學界最重要前沿問題之一，超導吸引了無數科學家目光。自1911年人類發現超導以來，已頒發5次諾貝爾獎給10位研究超導的科學家。

然而，令科學家困擾的是，超導體轉變溫度有一個極限值。科學家麥克米蘭根據獲1972年諾貝爾獎的BCS理論計算，認為超導臨界溫度最高不大可能超過40K（K為開爾文溫度常用符號，40K約為零下233攝氏度），他的計算得到國際學術界普遍認同，40K因此被稱作“麥克米蘭極限”。尋找到更高臨界溫度的超導體，一直是全世界物理學家的研究熱點。

1973年，經周總理批示，我國一批年輕學生和學者被派往國外學習，趙忠賢借此機會于1974年到英國劍橋大學進修，接觸到世界超導研究最前沿。1975年回國，趙忠賢開始“探索高臨界溫度超導體”，尋找臨界溫度在40K以上超導體。

實在太大膽了！好在趙忠賢作為當時極少數“歸國人才”得到支持，“探索高臨界溫度超導體”研究得以在全國組織推廣。他帶領團隊在世界科學界數十年“超導競賽”中不為浮躁所動、不被質疑所困，始終瞄準科學前沿，在堅守中不斷創新突破。截至1986年底，他已組織召開6屆研討會，克服多種困難，為我國在高溫超導研究領域突破奠定重要基礎。

加速：突破“麥克米蘭極限”

“現在我國超導研究能躋身世界前列，與我們對超導認識比較早有很大關系。”如今再談超導，趙忠賢一直慶幸我國“醒得早”。然而，當年“早醒”的中國缺乏成熟的條件。“以前經費和設備是現在條件的1%，實驗條件落后發達國家30年。”趙忠賢回憶說。

面對困難，只能擼起袖子干。沒有設備，趙忠賢帶領團隊自己搭建，盡管條件艱苦到被窩里捉老鼠，趙忠賢仍樂觀地認為，自己的相對劣勢沒有那么大。“相對于其他科學研究來講，超導材料探索不需要特別高級復雜的儀器，我愿意充分利用現有條件去研究。”

趙忠賢院士

多少個不眠之夜，反反復復試驗，累了，趙忠賢就在椅子和桌子上靠一靠，餓了，就煮面條。在最困難的時候，他和團隊成員相互鼓勵：“別看現在這個樣品不超導，新的超導體可能就誕生在下個樣品中。”終于，1986年底，趙忠賢團隊和國際上少數幾個小組幾乎同時在鑭—鋇—銅—氧體系中突破“麥克米蘭極限”，獲得40K以上高溫超導體。一時間，世界物理學界為之震動，“北京的趙”多次出現在國際著名科學刊物上。

與此同時，趙忠賢團隊還發現70K超導跡象，這已離77K液氮溫區不遠。不過，經過反復思考試驗，趙忠賢意識到：由于實驗樣品用原料含有雜質，70K跡象的出現可能是雜質發揮了某種作用。

頂著巨大壓力，趙忠賢沒有放棄，他主動“引入雜質”。趙忠賢清楚地記得，就在1987年2月19日深夜，他們團隊在鋇—釔—銅—氧中發現臨界溫度93K液氮溫區超導體！1987年2月24日，中國科學院數理學部舉行新聞發布會宣布這一發現，并在世界上首次公布元素組成。

他成功了！趙忠賢等人的發現使得超導體低溫環境創造由原本昂貴的液氦替代為便宜好用的液氮，從此在全世界范圍刮起液氮溫區超導體旋風。趙忠賢所在集體因此榮獲1989年度國家自然科學集體一等獎，他作為團隊代表獲得第三世界科學院物理獎。

超越：鐵基超導再掀高潮

1987年，世界性超導競賽迎來巔峰時刻，趙忠賢作為五位特邀報告人之一參加美國物理學會3月會議。1100人大廳里，擠進3000多人，被高溫超導突破吸引來的物理學家擠滿整個會場，狂熱場面持續7個多小時，報告一直繼續到次日凌晨3點。

這場會議后被稱作“物理學界的搖滾音樂節”。面對幾千人參加的年會作演講，趙忠賢向世界展示中國超導研究重大突破，倍感光榮與驕傲。趙忠賢說：“榮譽歸于國家，成績屬于集體。我就是一個普通人，只是做好了自己的本職工作。”

無論是經歷輝煌，還是面對低谷，趙忠賢都能保持一份平和心態，繼續潛心研究，厚積薄發。也是這種對科學的孜孜以求，讓趙忠賢在20年后再次引領世界熱潮，收獲超導研究第二次突破。

2008年，日本科學家表示在鑭—氧—鐵—砷體系中存在26K超導電性，與趙忠賢“在具有多種相互作用四方層狀結構系統中會有高溫超導電性”新思路是一致的。趙忠賢立刻意識到，這一類鐵砷化合物（后來被稱作“鐵基超導體”）很可能是新的高溫超導體。

趙忠賢提出高溫高壓合成結合輕稀土元素替代方案，帶領團隊全力以赴。團隊里，有負責高溫高壓合成的、有負責測量以鑒別超導電性的，還有做常壓合成、高壓物性研究和單晶生長的。他們用從淘汰設備中撿回來的設備做實驗，一臺被大家叫做“土炮”的壓機壞了修、修了壞，把有限的條件用到極限。

很短時間，他們首先做出52K鏷鐵砷氧氟超導體，緊接著51K釹鐵砷氧氟和55K釤鐵砷氧氟超導體相繼做出，整個團隊非常興奮。很快他們合成絕大多數50K以上系列鐵基超導體、創造大塊鐵基超導體55K最高臨界溫度紀錄并保持至今，為確認鐵基超導體為第二個高溫超導家族提供重要依據。當時已67歲的趙忠賢帶領年輕人幾乎通宵工作，完成鐵基超導研究最關鍵三篇論文。

趙忠賢的研究得到國際高度評價。美國《科學》雜志3次報道趙忠賢及其團隊工作，并評論，“中國如洪流般不斷涌現的研究結果，標志著在凝聚態物理領域中國已經成為強國”。