1月9日，2016年度國家科技獎勵大會在京召開。中國科學(xué)院物理研究所的趙忠賢院士因其在高溫超導(dǎo)領(lǐng)域的突出貢獻(xiàn)獲得了國家最高科學(xué)技術(shù)獎。同時獲此獎項的還有2015年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎得主屠呦呦。

這并不是趙忠賢院士第一次獲得國家科技大獎。以他為代表的團(tuán)隊曾分別于1989年和2013年因“液氮溫區(qū)氧化物超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)及研究”和“40K以上鐵基高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)及若干基本物理性質(zhì)研究”而榮獲國家自然科學(xué)獎一等獎。

此外，趙忠賢還曾在2015年獲得Matthias獎。該獎項是超導(dǎo)研究領(lǐng)域的重要國際獎項，每3年頒發(fā)一次。

2013年，當(dāng)趙忠賢團(tuán)隊獲得國家自然科學(xué)獎一等獎時，外界曾評價道，“超導(dǎo)研究是中國科學(xué)家距離諾貝爾獎最近的領(lǐng)域”。

超導(dǎo)態(tài)研究是凝聚態(tài)物理學(xué)的重要部分。凝聚態(tài)指的是粒子間有很強態(tài)互作用的系統(tǒng)。固態(tài)以及液態(tài)是人們最為熟悉的凝聚態(tài)。除了這兩種態(tài)之外，凝聚態(tài)還包括一些特定的物質(zhì)在低溫條件下的超導(dǎo)態(tài)、晶體與自旋有關(guān)的鐵磁態(tài)及反鐵磁態(tài)、超低溫原子系統(tǒng)的玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)等等。目前在超導(dǎo)研究領(lǐng)域，已經(jīng)有10位科學(xué)家獲得了5次諾貝爾獎，分別是：

1913年，在低溫條件下的某些金屬中發(fā)現(xiàn)并命名超導(dǎo)現(xiàn)象的荷蘭科學(xué)家翁內(nèi)斯（Heike Kamerlingh Onnes）。

1972年，提出BCS超導(dǎo)理論的美國科學(xué)家巴?。↗ohn Bardeen）、庫珀（Leon North Coope）和施里弗（John Robert Schrieffer）。

1973年，分別發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體和超導(dǎo)體中的“隧道效應(yīng)”的日本科學(xué)家江崎玲於奈和美國科學(xué)家賈埃弗（Ivar Giaever）。

1987年，發(fā)現(xiàn)鋇鑭銅氧系統(tǒng)中的高臨界溫度超導(dǎo)電性的德國科學(xué)家柏諾茲(J.Georg Bednorz)和繆勒(Karl A.Muller)。

1992年，在超導(dǎo)體和超流體領(lǐng)域中做出開創(chuàng)性貢獻(xiàn)的俄美雙國籍科學(xué)家阿列克賽·阿布里科索夫(Alexei A. Abrikosov)、俄羅斯科學(xué)家維塔利·金茨堡(Vitaly L. Ginzburg)和英美雙國籍科學(xué)家安東尼·萊格特(Anthony J. Leggett)。

那么，中國科學(xué)家是如何在超導(dǎo)領(lǐng)域奮起直追，逐漸成為該領(lǐng)域的強國，并一度創(chuàng)造了世界矚目的鐵基超導(dǎo)“奇跡”的呢？

超導(dǎo)性：大自然最奇妙的“小把戲”之一

超導(dǎo)，全稱超導(dǎo)電性，是20世紀(jì)最重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一，指的是某些材料在溫度降低到某一臨界溫度，或超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度以下時，電阻突然消失的現(xiàn)象。具備這種特性的材料稱為超導(dǎo)體。

1908年，荷蘭科學(xué)家翁內(nèi)斯（Onnes）成功制備液氦，并在液氦溫度下研究物質(zhì)的熱力學(xué)和電學(xué)性質(zhì)。1911年，翁內(nèi)斯發(fā)現(xiàn)汞的電阻在溫度降到4.2K（-269℃）以下時變?yōu)?。他將此特性命名為超導(dǎo)性，并獲得1913年的諾貝爾物理學(xué)獎。

那么，超導(dǎo)現(xiàn)象是如何產(chǎn)生的呢？通常情況下，電子在定向運動時會與金屬晶格碰撞，形成電阻。1957年，Bardeen、Copper 和 Schrieffer 提出著名的 BCS 理論，即具有相反自旋和動量的電子對通過與晶格振動聲子的交換作用，互相吸引，形成 Cooper 對。而這個Cooper對可以在晶格中無阻礙傳輸，是超導(dǎo)的機制。臨界溫度的存在，則是因為較高溫度下更強的晶格振動對Cooper對造成破壞。三人也因此榮獲1972年的諾貝爾物理學(xué)獎。

從超導(dǎo)領(lǐng)域開創(chuàng)以來，探索更高溫度的超導(dǎo)條件就成了科學(xué)家不懈的追求之一。但美國科學(xué)家麥克米蘭基于BCS理論計算，認(rèn)為超導(dǎo)臨界溫度不太可能超過39K（-234℃），39K這個溫度也被稱為“麥克米蘭極限”。這個極限溫度一度被主流學(xué)界所接受。

銅氧化合物超導(dǎo)體：顛覆傳統(tǒng)理論

1967年，德國科學(xué)家柏諾茲(J.Georg Bednorz,1950-)和繆勒(Karl A.Muller,1927-)發(fā)現(xiàn)了鋇鑭銅氧系統(tǒng)中的高臨界溫度（35K）超導(dǎo)電性。他們共同分享了1987年度諾貝爾物理學(xué)獎。這也標(biāo)志了銅氧化合物超導(dǎo)體的突破性意義——諾貝爾獎在極少數(shù)情況下才會頒發(fā)給剛剛出爐的成果。

趙忠賢是國際上最早認(rèn)識到銅氧化合物超導(dǎo)體重要意義的少數(shù)科學(xué)家之一。他的團(tuán)隊從1986年底到1987年初，在十分簡陋的實驗條件下夜以繼日工作，終于和國際上少數(shù)幾個小組幾乎同時在鑭-鋇-銅-氧體系中獲得了40K以上的高溫超導(dǎo)體。

由此，銅氧化合物超導(dǎo)體顛覆了BSC理論和其推論“麥克米蘭極限”。

但接著，趙忠賢團(tuán)隊做出的70K超導(dǎo)成果沒能被人重復(fù)。頂著來自海外學(xué)者的質(zhì)疑和施壓，趙忠賢猜測是實驗樣品中的雜質(zhì)發(fā)揮了某種作用，并主動尋找這種關(guān)鍵性的雜質(zhì)。在用鍶取代鋇沒有復(fù)現(xiàn)70K超導(dǎo)現(xiàn)在之后，1987年2月19日深夜，趙忠賢團(tuán)隊終于在釔鋇銅氧（Ba-Y-Cu-O）中發(fā)現(xiàn)了臨界溫度為93k的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變。國際上很多實驗室驗證了中國的工作。

93K這個溫度的重要意義，在于突破液氦的溫區(qū)而進(jìn)入液氮的溫區(qū)，使得人們可以用便宜的液氮取代昂貴的液氦創(chuàng)造超導(dǎo)體的低溫環(huán)境。這個成果推動了世界范圍的高溫超導(dǎo)研究熱潮，趙忠賢團(tuán)隊因此榮獲1989年度國家自然科學(xué)獎集體一等獎。

贏得鐵基超導(dǎo)競賽：“中國已經(jīng)成為凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的強國”

2008年2月下旬，東京工業(yè)大學(xué)化學(xué)家細(xì)野秀雄(Hideo Hosono)發(fā)現(xiàn)了在四方層狀的鐵砷化合物：摻F的LaOFeAs中存在轉(zhuǎn)變溫度為26K的超導(dǎo)電性。中國科學(xué)家們敏銳地嗅到鐵基超導(dǎo)是高溫超導(dǎo)領(lǐng)域一個重要的突破口，并迅速投入了研究。

2008年3月25日，中科大的陳仙輝小組經(jīng)過反復(fù)實驗驗證，在國際上首次在常壓下獲得臨界溫度達(dá)到43K（–230.15°C）的鐵基化合物超導(dǎo)體體——氟摻雜釤氧鐵砷化合物，突破了“麥克米蘭極限”。這項成果發(fā)表在《自然》上，成為2008年全世界最具影響和被引用最多的5篇論文之一。

僅僅四天后，在3月29日，趙忠賢小組做出了臨界溫度為52K的鏷鐵砷氧氟超導(dǎo)體。接著，在4月13日，趙忠賢小組又做出了臨界溫度為55K的釤鐵砷氧氟超導(dǎo)體，創(chuàng)造了大塊鐵基超導(dǎo)體的最高臨界溫度紀(jì)錄并保持至今，為確立鐵基超導(dǎo)體為第二個高溫超導(dǎo)家族提供了重要依據(jù)。

由于上述“40K以上鐵基高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)及若干基本物理性質(zhì)研究”，以趙忠賢、陳仙輝、王楠林、聞海虎、方忠為代表的中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)國家實驗室和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究團(tuán)隊被授予2013年度國家自然科學(xué)獎一等獎。

除了陳仙輝小組和趙忠賢小組，中國當(dāng)時還有幾個研究團(tuán)隊都各自獨立完成了鐵基超導(dǎo)領(lǐng)域的重要突破。在短短數(shù)月內(nèi)，中國科學(xué)家從投入研究到成果井噴，吸引了全球科學(xué)界的注意力。

在2008年4月一篇題為《新超導(dǎo)體將中國物理學(xué)家推向前沿》的評述文章中，著名學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》寫道，“中國相關(guān)研究成果井噴，這標(biāo)志著，中國已經(jīng)成為凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的強國”。

《科學(xué)》還寫道，中國在高溫超導(dǎo)領(lǐng)域的高產(chǎn)已經(jīng)引發(fā)了美國研究者們的擔(dān)憂。美國國家研究委員會的報告曾指出，由于經(jīng)費停滯，美國正處于失去凝聚態(tài)物理研究優(yōu)勢的邊緣。