82歲的趙忠賢和60歲的陳仙輝被授予2023未來科學(xué)大獎-物質(zhì)科學(xué)獎。

8月16日上午，2023未來科學(xué)大獎獲獎名單揭曉。因?qū)Ω邷爻瑢?dǎo)材料的突破性發(fā)現(xiàn)和對轉(zhuǎn)變溫度的系統(tǒng)性提升所做出的開創(chuàng)性貢獻(xiàn)，我國超導(dǎo)領(lǐng)域的兩位關(guān)鍵人物——82歲的趙忠賢和60歲的陳仙輝被授予“物質(zhì)科學(xué)獎”。

高溫超導(dǎo)材料（臨界溫度在40K即零下233℃，以上的超導(dǎo)體）主要有兩大類：銅氧化物超導(dǎo)體和鐵基超導(dǎo)體。

在銅氧化物方面，趙忠賢領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了第一個液氮溫區(qū)的超導(dǎo)材料。在鐵基超導(dǎo)體方面，陳仙輝研究組首先將超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度提高到麥克米蘭極限之上，證明鐵基超導(dǎo)體確實(shí)是非常規(guī)的高溫超導(dǎo)體，而趙忠賢研究組創(chuàng)造并保持了在塊狀材料中超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的記錄。

在提高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的同時，趙忠賢和陳仙輝對于高溫超導(dǎo)的物理機(jī)制做了大量系統(tǒng)性的研究，在過去數(shù)十年內(nèi)推動了高溫超導(dǎo)領(lǐng)域的發(fā)展。

在獲獎名單公布后，趙忠賢、陳仙輝接受了澎湃科技（www.loaarchitects.com.cn）的采訪，談及過往的研究歷程，未來的研究方向，也直接回應(yīng)了當(dāng)下熱議的“室溫超導(dǎo)體材料LK-99”的研究。

112年前發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)，已誕生多位諾獎得主

1908年7月10日，荷蘭萊頓大學(xué)的教授海克·卡末林·昂內(nèi)斯如往常一樣在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行著他的低溫物理學(xué)研究。但不同以往的是，在這天下午，他第一次將氦氣液化，以﹣269℃（4.2K，K為溫度的國際單位開爾文）刷新了人造低溫的新紀(jì)錄。

這一天，極低溫物理世界的大門對人類打開。此后1911年，被同行尊稱為“零度先生”（人類所能達(dá)到的最低溫度為絕對零度）的昂內(nèi)斯又將汞冷卻到了4.2K以下，此時他測量到其電阻幾乎降為零。這就是超導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，超導(dǎo)即指材料在低于某一溫度（臨界溫度）時電阻變?yōu)榱?，這意味著電的傳輸將能最大限度地降低損耗。

電學(xué)現(xiàn)象總是和磁學(xué)現(xiàn)象相生相伴，超導(dǎo)現(xiàn)象里除了零電阻這個特征外，完全抗磁性就是另一個重要特性，磁共振成像、超導(dǎo)磁懸浮列車等都基于其發(fā)展起來。一百多年來，科學(xué)家們前赴后繼，不斷尋找臨界溫度更高的超導(dǎo)材料，這樣的材料才可能降低成本大規(guī)模應(yīng)用。

超導(dǎo)領(lǐng)域的發(fā)展過程中可以說有幾個關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)：超導(dǎo)理論的建立、高溫超導(dǎo)體的出現(xiàn)，以及現(xiàn)在受到廣泛關(guān)注的對室溫超導(dǎo)的探索。

室溫超導(dǎo)材料被稱為最后的“圣杯”。

至暗時刻：-233.15℃的理論溫度上限

從發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象開始，如何解釋現(xiàn)象背后的物理機(jī)制就成為關(guān)鍵問題。在這個探索過程中，出現(xiàn)的比較著名的理論有二級相變理論、倫敦方程、皮帕理論、金茲堡-朗道理論等。對于此后發(fā)展影響力最大的是1957年美國物理學(xué)家約翰·巴丁、利昂·庫珀和約翰·羅伯特·席弗提出電子-聲子耦合理論（簡稱“BCS理論”）。

BCS理論認(rèn)為，在低溫下，金屬中的電子之間會形成一種特殊的配對狀態(tài)，稱為庫珀對。庫珀對之間可以相互作用，形成一個相干態(tài)，其可以無阻礙地流動，不受雜質(zhì)或晶格振動的影響，因此具有零電阻。同時，庫珀對也會排斥外部磁場，使得超導(dǎo)體內(nèi)部沒有磁感應(yīng)強(qiáng)度，這就是完全抗磁性或邁斯納效應(yīng)。

然而1968年，美國物理學(xué)家麥克米蘭根據(jù)當(dāng)時唯一一個成功解釋超導(dǎo)現(xiàn)象的BCS理論斷定，一般超導(dǎo)體的臨界轉(zhuǎn)變溫度不可能高于40K（約-233.15℃），這個溫度被學(xué)界稱為“麥克米蘭極限”。這也是超導(dǎo)領(lǐng)域的“至暗時刻”，整個領(lǐng)域進(jìn)入了低谷期。因?yàn)槿绻荒芡黄啤胞溈嗣滋m極限”，那么科學(xué)家們曾經(jīng)以為存在的“高溫超導(dǎo)體”就是水中月鏡中花。

1977年趙忠賢于《物理》雜志發(fā)表“探索高臨界溫度超導(dǎo)體”一文。

1977年，36歲的趙忠賢在《物理》雜志上撰文，他指出超導(dǎo)體的臨界溫度可以達(dá)到40—55K（約-233℃—-218℃），甚至在某些情況下可以達(dá)到80K（約-193℃）。

趙忠賢1941年生于遼寧新民，1959年考入中國科大技術(shù)物理系，“當(dāng)時中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教課的老師都很有名，如數(shù)學(xué)系是華羅庚先生授課，力學(xué)系有錢學(xué)森先生，技術(shù)物理系有嚴(yán)濟(jì)慈先生等。郭永懷也是科大的系主任”。趙忠賢對記者回憶道。1964年，他從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)畢業(yè)后進(jìn)入中國科學(xué)院物理研究所工作，一直從事低溫與超導(dǎo)研究，這篇文章發(fā)表時他剛從英國劍橋大學(xué)進(jìn)修回來不久。

趙忠賢當(dāng)時認(rèn)為，如果只限于幾種簡單的結(jié)構(gòu)去探索，由于地球上的元素就那么多種，路子就走不寬，所以一定要著手于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。說起來容易，但這么多化合物，真正尋找起來猶如大海撈針。

突破：從液氦溫區(qū)到液氮溫區(qū)，第一個高溫超導(dǎo)體被發(fā)現(xiàn)

轉(zhuǎn)機(jī)出現(xiàn)在將近10年后。

1986年9月底，IBM蘇黎世實(shí)驗(yàn)室的貝德諾茲（J.G.Bednorz）和繆勒（K.A.Müller）在一本不太起眼的學(xué)術(shù)雜志上宣稱，發(fā)現(xiàn)了鋇鑭銅氧化物在35K（約-238.15℃）的環(huán)境下呈現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象。當(dāng)時的國際學(xué)界對此看法不一，懷疑這是否又是一次“狼來了”。但趙忠賢敏銳察覺到這篇論文不同以往，在10月初開始了對鋇鑭銅氧化物的研究。

“由于我們這10年的積累，使得我們認(rèn)識到結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性和高溫超導(dǎo)的關(guān)系。所以當(dāng)我們看到瑞士科學(xué)家的文章以后，立刻就產(chǎn)生了共鳴。我們抓緊重復(fù)他們的結(jié)果，并且要思考怎樣在這個基礎(chǔ)上找到更高臨近溫度的超導(dǎo)體。”趙忠賢接受采訪時表示。

那時候日本和美國的幾個實(shí)驗(yàn)室也都在嘗試。1986年11月13日，日本最先傳來消息，東京大學(xué)的田中昭二教授證實(shí)了貝德諾茲和繆勒的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。各個實(shí)驗(yàn)室都進(jìn)入激烈的競爭狀態(tài)，鉚足勁要帶來更具突破性的進(jìn)展。

1986年12月，趙忠賢與同事也第一次在鑭鋇銅氧系統(tǒng)中，觀察到起始溫度為70K（約-203℃）的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變跡象，這已經(jīng)離77K（約-196℃）液氮溫區(qū)不遠(yuǎn)了。-196℃的液氮溫區(qū)意味著制冷難度和成本的大幅度降低，液氮的價格只有液氦的幾十分之一，可以像打熱水一樣一次打一熱水瓶。

1987年Ba-Y-Cu-O 超導(dǎo)材料的電阻率和交流磁化率轉(zhuǎn)變曲線。

全世界尋找高溫超導(dǎo)的熱情又一次被點(diǎn)燃了，此后捷報頻傳。1987年2月19日深夜，趙忠賢在釔鋇銅氧化物中發(fā)現(xiàn)了臨界轉(zhuǎn)變溫度93K（約-180℃）的液氮溫區(qū)超導(dǎo)體，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以重復(fù)。趙忠賢也成為國際物理學(xué)界口中的“北京的趙”，他的研究使得便宜好用的液氮可以取代原本昂貴的液氦來創(chuàng)造超導(dǎo)所需的低溫環(huán)境。

又一突破：第二類高溫超導(dǎo)體被發(fā)現(xiàn)

此后超導(dǎo)家族除了已發(fā)現(xiàn)的金屬和合金超導(dǎo)體、銅氧化物超導(dǎo)體、重費(fèi)米子超導(dǎo)體、有機(jī)超導(dǎo)體外，沒有新發(fā)現(xiàn)，整個領(lǐng)域再次沉寂。

不過1986年高溫超導(dǎo)材料的發(fā)現(xiàn)改變了一個年輕人的命運(yùn)，此后他也為超導(dǎo)領(lǐng)域續(xù)寫出新的故事。“當(dāng)時國內(nèi)在超導(dǎo)領(lǐng)域有幾個主要的研究單位，包括趙忠賢院士所在的物理所，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的物理系，還有北京大學(xué)、南京大學(xué)等等?！标愊奢x說，“在杭州讀研究生的時候，剛好趕上1986年的高溫超導(dǎo)?！?/p>

陳仙輝于1963年3月出生于湖南湘潭，1979年參加高考進(jìn)入宜春學(xué)院，畢業(yè)時剛剛19歲進(jìn)入了中學(xué)教書，陳仙輝說，“剛開始無憂無慮像小孩一樣?！币淮谓虒W(xué)學(xué)習(xí)機(jī)會，陳仙輝去了江西南昌和浙江杭州，當(dāng)時他就有一個念頭，不應(yīng)該再待在宜春，必須走出來的。然后他就決定考研究生，進(jìn)入了杭州大學(xué)。

因?yàn)楦邷爻瑢?dǎo)領(lǐng)域的突破性進(jìn)展，那時候還是24歲在杭州大學(xué)（現(xiàn)浙江大學(xué)）讀研一的陳仙輝如愿作為聯(lián)合培養(yǎng)的碩士研究生，前往中國科大應(yīng)用化學(xué)系錢逸泰和陳祖耀實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)?！皼]有高溫超導(dǎo)，也不會有今天我坐在這里跟各位交流了，1986年的高溫超導(dǎo)就是我發(fā)展到現(xiàn)在的一個契機(jī)?！标愊奢x語氣中不無感慨。

2008年2月，日本科學(xué)家叫細(xì)野秀雄公布其發(fā)現(xiàn)一種新的超導(dǎo)物質(zhì)鐵砷化合物L(fēng)aOFeAs，其在26K的臨界溫度下顯示出超導(dǎo)性。這項(xiàng)研究的吸引不在于26K（約-247.15℃），而在于打破了原來廣泛存在的觀點(diǎn)——鐵元素意味著磁性，對超導(dǎo)的形成只會起反作用。

自此，鐵基超導(dǎo)材開始得到重視?！?008年之前，非常規(guī)高溫超導(dǎo)體只有一類，就是銅氧化物超導(dǎo)體。但這22年里對于銅氧化物超導(dǎo)體的機(jī)理等相關(guān)科學(xué)問題并不能清楚解釋，而如果更多種類的高溫超導(dǎo)體出現(xiàn)，那么通過發(fā)現(xiàn)其共性就能更好理解非常規(guī)超導(dǎo)體，即BCS理論不能解釋的這一類超導(dǎo)體?！标愊奢x說。

3月底，突破性的進(jìn)展很快出現(xiàn)。陳仙輝團(tuán)隊率先將SmFeAsO1-xFx體系的超導(dǎo)溫度在常壓下提高到43K（-230.15℃），突破了傳統(tǒng)超導(dǎo)體40K的麥克米蘭極限。

陳仙輝說，“如果一個超導(dǎo)體的臨界溫度高于40K，那就是一個BCS理論可能不能解釋的體系，可能屬于非常規(guī)超導(dǎo)體。我們的工作就證明了鐵基超導(dǎo)體是繼銅氧化物高溫超導(dǎo)體之后的第二個非常規(guī)高溫超導(dǎo)體，至今也只有這兩類?！?/p>

緊隨其后，也是在3月底，趙忠賢團(tuán)隊成功在PrFeAsO1-xFx中將鐵基超導(dǎo)體的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度提高到52K，隨后于4月在SmFeAsO1-xFx實(shí)現(xiàn)了鐵基超導(dǎo)體塊體材料中的最高轉(zhuǎn)變溫度55K（-218.15℃）并合成出系列50K以上鐵基超導(dǎo)體。

2008年，《科學(xué)》（Science）評選的年度世界十大科技進(jìn)展就將鐵基高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)（包括日本和中國科學(xué)家的工作）納入其中。

2008年合成的系列鐵基超導(dǎo)體電阻-溫度轉(zhuǎn)變曲線。

“從1911年的4.2K臨界溫度，到1986年臨界溫度不到24K（約為-249.15℃）的高溫超導(dǎo)體，這中間經(jīng)歷了75年。也就是說人類這么多科學(xué)家在這個領(lǐng)域工作，75年只將超導(dǎo)溫度提高了20K。但在1986年銅氧化物超導(dǎo)體發(fā)現(xiàn)以后，到現(xiàn)在常壓下的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度達(dá)到132K（約-141.15℃）。相對前面不到24K，一下子就突破了100多K?！标愊奢x接受采訪時說道。

2015年，國際超導(dǎo)材料最高獎——Matthias獎被授予趙忠賢和陳仙輝。

2019年11月趙忠賢、陳仙輝在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)參加“超導(dǎo)新前沿研討會”。

“超導(dǎo)體作為一種量子材料，其獨(dú)特的零電阻和完全抗磁性特性，在能源、信息、醫(yī)療、交通和電力等領(lǐng)域帶來深刻變革，有極大的應(yīng)用前景。”未來科學(xué)大獎-物質(zhì)科學(xué)獎委員會委員、加州理工學(xué)院理論物理教授陳諧介紹，“傳統(tǒng)的超導(dǎo)材料達(dá)到超導(dǎo)狀態(tài)的轉(zhuǎn)變溫度都很低（低于-230℃）。高溫超導(dǎo)材料的出現(xiàn)極大地提高了超導(dǎo)現(xiàn)象可以存在的溫度范圍。一方面這為超導(dǎo)材料的大規(guī)模應(yīng)用提供了更多可能性，同時也揭示出形成超導(dǎo)現(xiàn)象的物理機(jī)制的復(fù)雜性?！?/p>

最后的圣杯：為什么要室溫超導(dǎo)？

2008年以后，超導(dǎo)領(lǐng)域的科學(xué)家們開始向最終的“圣杯”發(fā)起挑戰(zhàn)——尋找室溫超導(dǎo)材料。室溫超導(dǎo)是指在常壓或接近常壓的條件下，在室溫或更高溫度下出現(xiàn)的超導(dǎo)現(xiàn)象，被稱為物理學(xué)“圣杯”。

超導(dǎo)材料有兩個特性——零電阻和完全抗磁性，零電阻即電流通過超導(dǎo)體沒有能耗，電阻為零。“從材料的角度來講，它既是一個能源材料，也是一個信息材料?！标愊奢x說，“我們現(xiàn)在的技術(shù)發(fā)展就是主要三類，一類是能源、信息、生物技術(shù)。而超導(dǎo)材料既可以支撐能源技術(shù)也能支撐信息技術(shù)，具有廣泛的應(yīng)用，如核磁共振，超導(dǎo)磁懸浮列車。在科學(xué)里，可控核聚變的溫度都是上億度以上，沒有材料可以把它約束，那么主要是用超導(dǎo)，托克馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置加速器里用的電子加速跟控制也需要超導(dǎo)?！?/p>

而如果能夠?qū)崿F(xiàn)常壓室溫下的超導(dǎo)狀態(tài)，那么就可以擺脫冷卻系統(tǒng)的束縛，真正大規(guī)模使用超導(dǎo)技術(shù)。“如果發(fā)現(xiàn)室溫超導(dǎo)，它給人們生活帶來的變化將是天翻地覆的。到那個時候，我們出門可以坐上懸浮的超導(dǎo)車，甚至手機(jī)、手提電腦充一次電就能用上好幾個月?！标愊奢x設(shè)想道，“人類文明可以用材料來劃分，室溫超導(dǎo)材料就可以成為劃分人類社會文明時期的標(biāo)志性材料?！?/p>

這也是每次一有團(tuán)隊表示自己發(fā)現(xiàn)了常壓室溫超導(dǎo)材料，就很容易引起廣泛關(guān)注的原因。比如最近的韓國量子能源研究中心公司及相關(guān)團(tuán)隊宣稱銅摻雜鉛磷灰石材料LK-99能夠?qū)崿F(xiàn)室溫超導(dǎo)。

“可以注意到，LK-99出來剛開始很多人都對其發(fā)表意見，而發(fā)聲的人基本都是不是真正做超導(dǎo)物理的人，而專業(yè)人士必須謹(jǐn)慎。雖然專業(yè)人士們很少發(fā)言，但是很多這個領(lǐng)域的科學(xué)家都在重復(fù)他們的結(jié)果。”陳仙輝沒有直接發(fā)表意見，但也透露出了自己的態(tài)度。

他說，“發(fā)表科學(xué)論文的意義，是要對發(fā)表的結(jié)果有確切的把握，要在可信可重復(fù)的情況下發(fā)表。韓國團(tuán)隊這次這么匆忙，顯然是在不夠嚴(yán)謹(jǐn)?shù)那闆r下就把階段性或者還沒有完全確認(rèn)的結(jié)論拋出來了?！彼惭a(bǔ)充道，“當(dāng)然結(jié)果如果是真的，那確確實(shí)實(shí)對于人類來說是一個了不得的進(jìn)展，因?yàn)樗鞘覝爻瑢?dǎo)還是那么高的溫度（約127攝氏度）?！?/p>

對于記者的提問，趙忠賢則回應(yīng)得更為直接，“我認(rèn)為這個工作跟超導(dǎo)沒什么關(guān)系。（中國科學(xué)院）物理研究所雒建林小組的相關(guān)工作，我認(rèn)為解釋得比較明白。做科研工作一定要謹(jǐn)慎，不要著急。這篇論文學(xué)術(shù)上對我沒什么影響，不受到干擾就行了?！?/p>

“我認(rèn)為要尋找室溫超導(dǎo)體，還需要從新機(jī)制下手，這就是現(xiàn)在我們正在努力的一個方向?！壁w忠賢對澎湃科技（www.loaarchitects.com.cn）說道。