上世紀80年代末90年代初，中、美、日三國科學家的“超導大戰(zhàn)”至今仍讓人記憶猶新。在那場“大戰(zhàn)”中，中國科學院物理研究所超導研究團隊不分晝夜地在實驗室工作，困得實在受不了了，就在桌子上躺一躺或在椅子上靠一會兒打個盹兒，醒了繼續(xù)做實驗。那時，他們研究的是銅氧化物高溫超導體。

正是在這一波研究熱潮中，物理所科研人員開創(chuàng)性地使用了便宜而好用的液氮替代昂貴的液氦來實現超導轉變溫度，為超導研究和應用開辟了一片嶄新的天地，大大方便和加速了全世界的高溫超導研究。

時隔20年后，日本科學家發(fā)現在臨界轉變溫度為26K時，鐵砷化合物具有超導電性。以物理所和中國科技大學為代表的中國科學家們則發(fā)現一系列高于麥克米蘭極限溫度的鐵基超導體，使之成為第二個高溫超導家族。他們還創(chuàng)造了鐵基超導體臨界轉變溫度的世界紀錄。

當被問及成功的秘訣時，他們的回答是：堅持。

在銅氧化物高溫超導體突破了麥克米蘭極限溫度以后，全世界科學家對超導材料的探索一度陷入迷茫，國際上的相關研究進入低谷。在各種學術期刊，特別是那些高影響因子的期刊上發(fā)表高溫超導論文變得愈發(fā)困難。

國內的高溫超導研究也因此受到了影響，有些研究人員在數次碰壁后紛紛轉到其他領域，很多團隊都不得不解散。物理所和中國科技大學的超導研究團隊卻一直抱著對超導科學的渴求，堅守著這塊陣地，持之以恒地進行著實驗，無數次的制備、觀察、放棄、重新開始……

于無聲處聽驚雷。沉寂是在新事物出現之前免不了的一個階段。“熱的時候堅持，冷的時候也堅持;錢多的時候堅持，錢少的時候也堅持。”

二三十年的不懈探索，這支隊伍在鐵基超導材料的探索中掀開了新篇章，創(chuàng)造了中國超導又一個新奇跡，使超導界的未來之路又變得光明起來。

正如《科學》雜志在一篇題為《新超導體將中國物理學家推到最前沿》的文章中所說：“中國如洪流般不斷涌現的研究結果標志著在凝聚態(tài)物理領域，中國已經成為一個強國。”

“爺爺，磁懸浮火車是誰發(fā)明的呀？”“軌道上得安多少磁鐵？”

在孩子們的眼里，應中國科技館之邀向他們進行超導科普的中科院院士趙忠賢，儼然成了一個魔術師。

“這個現象是個物理現象。超導體是宏觀的量子現象。以后還要找到不用液氮降溫，在室溫就能用的超導體。你們愿意去找嗎？”

“愿意……”

讓孩子們也為之著迷的超導是物理世界中最奇妙的現象之一。超導作為宏觀量子態(tài)具有極為特殊的物理性質和極大的應用潛力，特別是在能源方面。有人認為21世紀電力工業(yè)的技術儲備有兩個，一個是超導，另一個是智能電網。正是因為超導的特殊性，世界上很多物理學家都在為尋找更高溫度下的超導材料而努力。

1911年，荷蘭科學家發(fā)現水銀在極低溫條件下的超導性，開辟了科學研究的新領域;1986年，德國科學家與瑞士科學家發(fā)現了臨界轉變溫度為35K的銅氧化物超導體，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(qū)以上，突破了麥克米蘭極限溫度，使其成為高溫超導體。時隔20年后，日本科學家發(fā)現鐵砷化合物的超導性，中國科學家又發(fā)現一系列高于傳統(tǒng)超導體極限臨界溫度的鐵基超導體，使之成為第二個高溫超導體家族。

突破禁區(qū)的鐵基超導研究

“如果有一天，超導又有新的突破，我相信一定有中國人的身影。”

超導是20世紀最偉大的科學發(fā)現之一超導電性的簡稱，指的是某些材料在溫度降低到某一數值以下時，電阻突然消失并且不能被磁場穿過的現象。這樣的材料稱為超導體，而這個溫度稱為超導臨界溫度，或超導轉變溫度。

令科學家困擾的是，超導體的轉變溫度不能超過40K(約零下233攝氏度)，這個溫度也被稱為麥克米蘭極限溫度。

1986年，兩名歐洲科學家發(fā)現以銅為關鍵超導元素的銅氧化物超導體的轉變溫度高于40K，因而被稱為高溫超導體。

2008年以來，在日本科學家發(fā)現鐵砷化合物的超導性之后，以中國科學家為主發(fā)現了一系列新超導體，它們都是以鐵為關鍵超導元素，轉變溫度可以到達40K以上。這些超導體統(tǒng)稱為鐵基高溫超導體。

“過去探索高溫超導的人都怕鐵，只要有鐵，這個系統(tǒng)的臨界溫度就高不了。”趙忠賢告訴記者，鐵基化合物由于其磁性因素，曾一度幾乎被無數國際頂尖物理學家斷言為探索高溫超導體的禁區(qū)。

直到2008年2月18日，日本東京工業(yè)大學教授細野秀雄和他的合作者在《美國化學會志》上發(fā)表了一篇兩頁的文章，指出氟摻雜鑭氧鐵砷化合物在26K時即具有超導電性。

“這個材料的結構和正常態(tài)的物理特點與我們長期以來的研究思路完全一致，能出現26K的超導性立刻引起了我們的共鳴。”據趙忠賢介紹，基于長期的相關研究，他們認為在某些有特殊自旋和電荷有序性質的層狀結構體系中可能存在高溫超導體，并一直不懈探索。此前，物理所就有幾個小組研究有關材料的結構、磁學性質和超導性問題。

2008年3月初，物理所的一些研究人員認為：鑭氧鐵砷化合物不是孤立的，26K的轉變溫度也大有提升空間，類似結構的鐵砷化合物中很可能存在系列高溫超導體。

3月25日，正當國際物理學界對鐵基超導體是不是高溫超導體舉棋不定時，中國科技大學陳仙輝研究組在SmO1-xFxFeAs體系常壓下發(fā)現超導轉變溫度為43K的超導電性;3月26日，王楠林、陳根富也獨立發(fā)現了41K的CeFeAs(O,F)新超導體。這些結果突破了傳統(tǒng)超導的麥克米蘭極限(40K)，證明鐵基超導體是除銅氧化物之外的又一類非常規(guī)高溫超導體。這一發(fā)現在國際上引起了極大轟動，標志著經過20多年的不懈探索，人類發(fā)現了新一類的高溫超導體。

基于多年積累和直覺，趙忠賢組采用輕稀土替換和高溫高壓合成技術高效制備了一大批不同元素構成的鐵基超導材料并制作了相圖，他們不僅率先使轉變溫度突破了50K，并發(fā)現了一系列50K以上的超導體，也創(chuàng)造了55K的鐵基超導體轉變溫度紀錄。國際物理學界認為這就形成了第二個高溫超導家族。

在實驗室里接連傳出捷報的同時，理論物理學家們也在鏖戰(zhàn)。

王楠林組從實驗數據出發(fā)，猜測鑭氧鐵砷化合物在低溫時有自旋密度波或電荷密度波的不穩(wěn)定性。

為了進一步解開這個謎團，他們找到了作理論研究的同事方忠。當時方忠已經計算了鑭氧鐵砷化合物的磁性，并且得到了和猜測一致的不穩(wěn)定性。

看到實驗數據以后，方忠立刻作了更加細致的計算，排除了電荷密度波的可能性，作出了“條紋反鐵磁序自旋密度波不穩(wěn)定性與超導競爭”的判斷。這一預言隨后被物理所戴鵬程研究組和美國另一研究組的中子散射實驗證實。在當前的鐵基超導機理研究中，自旋密度波不穩(wěn)定性同超導的關系已經成為最主流的方向。

“如果以后再有更多的樣品和數據誕生于中國，我們不必感到驚訝。”《科學》雜志一篇題為《新超導體將中國物理學家推到最前沿》的文章中指出，“中國如洪流般不斷涌現的研究結果標志著在凝聚態(tài)物理領域，中國已經成為一個強國。”

為超導研究開辟新天地

“熱的時候堅持，冷的時候也堅持;錢多的時候堅持，錢少的時候也堅持。”

時光回溯到1986年9月的北京，趙忠賢在物理所圖書館中翻閱著最新一期的《物理學雜志》，當讀到了貝德諾茲和繆勒發(fā)表的文章時，他的目光停住了?；陂L期的高溫超導研究，在當時大量新的高臨界溫度超導材料不能得到證實的背景下，趙忠賢作出了及時正確的判斷，挑選出有效信息。

“一開始，很多人不太相信。”趙忠賢說，“我，至少我們這個研究組吧，是世界上最早幾個認識到這項工作重要性的小組，所以我們才抓緊了這個機遇來做這件事。”趙忠賢認為繆勒的想法是有道理的，不引起結構相變的點陣不穩(wěn)定，將有利于超導體的臨界溫度。

這個判斷不是憑空而來的。

從1976年開始，趙忠賢就一直積極推動參與組織探索高溫超導體的會議，“這種科技人員之間的交流給了我信息和積累，學到很多東西，使我能夠作出正確判斷。”

正是根據這種將結構的不穩(wěn)定與高溫超導相聯系的推理，趙忠賢相信了貝德諾茲和繆勒的結果，馬上找人聯系和籌備，于當年10月中旬和物理所陳立泉院士等人合作開始了銅氧化物超導體研究工作。

12月20日左右，趙忠賢和他的合作者在鍶鑭銅氧中實現了起始溫度為48.6K的超導轉變，并在鋇鑭銅氧中看到了70K的超導跡象。遺憾的是，70K的超導跡象在熱循環(huán)之后便消失而無法重復了。

之后，趙忠賢和他的合作者將精力主要集中于重復這一結果。

“除夕夜大家都沒有放松工作。”趙忠賢回憶說，“我們開始懷疑是雜質的作用。有70K跡象的樣品原料是從倉庫中找來的，那還是1956年公私合營工廠生產的，含有較多雜質。而后來用較純原料做出的樣品，結構更接近文獻上說的，轉變溫度全在30多K。”

雜質的問題對科學家有很大啟發(fā)，他們一直在多相材料中尋找，并替換其他成分，希冀重復70K的超導跡象。包括用鍶取代鋇在鍶鑭銅氧中實現的高溫超導性。1987年2月19日，趙忠賢和他的合作者在釔鋇銅氧中發(fā)現了起始溫度高于100K、中點溫度為92.8K的超導轉變。

看到液氮溫區(qū)超導體成分的報道后，美國貝爾通訊實驗室的化學家特拉斯康才想起自己早在1月3日就曾制備了5塊釔鋇銅氧樣品，而從未對之做超導測試，只經幾個小時的測試，他便發(fā)現其中竟有兩塊是超導的。由于當時交流困難，他們在文章中只能引用《人民日報》的文章。

其實，正當趙忠賢和他的合作者開始著手研究銅氧化物的超導性時，美日幾個實驗室的研究工作也差不多同步進行，于是就有了上世紀80年代末90年代初爭分奪秒的“超導大戰(zhàn)”。當時各家報紙都很關注每天的進展情況，經常有這樣的消息：今天中國到什么溫度，明天美國又到什么溫度，后天日本又到什么溫度，競爭非常激烈。

“當時非常特別，準確地說是高潮。”趙忠賢說，他們當時不分晝夜，整天整夜都在實驗室工作。困得實在受不了了就在桌子上躺一躺或在椅子上靠一會兒打個盹兒，醒了繼續(xù)做實驗。“當時最大的感覺就是要爭分奪秒，時間就是一切!”

“盡管當時的條件比國外差得多，但我們也有優(yōu)勢，我們是最早意識到瑞士科學家工作意義的幾個人，我們就抓住了這個機會。此外，我們這個群體非常努力，集思廣益，發(fā)揮大家的智慧。”趙忠賢說。

在銅氧化物高溫超導體之前，世界上一切超導研究都必須采用昂貴并難以使用的液氦來使超導體達到轉變溫度，這對超導研究和應用形成了巨大障礙。液氮溫區(qū)超導體把使用便宜而好用的液氮來實現超導轉變溫度變?yōu)楝F實，為超導研究和應用開辟了一片嶄新的天地，大大方便和加速了全世界的高溫超導研究。

默默堅守扎根中國

此后20余年里，高溫超導體研究一直停留在銅氧化物領域。但是這種材料易脆，作為輸電纜應用時延展性與柔韌性不夠好，在大范圍的普及應用上仍有一定困難。

在突破了麥克米蘭極限之后，全世界科學家對超導材料的探索又一次陷入了迷茫，國際上的相關研究進入低谷，在各種學術期刊上，特別是那些高影響因子的期刊上發(fā)表高溫超導論文變得愈發(fā)困難。

國內的高溫超導研究因此也受到一定影響，有些研究人員紛紛轉到其他領域，以求發(fā)表數量更多、影響因子更高的論文，很多團隊都不得不解散。

當大多數研究者在數次碰壁后紛紛轉移到其他研究領域時，物理所和中科大的超導團隊卻一直抱著對超導科學的渴求，堅守這塊陣地，持之以恒地進行實驗，無數次的制備、觀察、放棄、重新開始……

趙忠賢經常對學生說：“既然獻身科學事業(yè)，就要淡薄個人名利。”他和合作者及學生們經常在實驗室里挑燈夜戰(zhàn)，做著在別人看來“挺死性”的實驗和研究。

“冷板凳”終究被他們坐熱，鐵基為超導材料探索揭開新的篇章，創(chuàng)造了中國超導一個又一個奇跡，使超導界的未來之路又變得光明起來。

物理所靳常青組的研究方向是高壓新材料和物理，超導成為他們研究工作的一部分，并堅持做有特點的工作。

這么多年一直做超導，與同事研究和而不同，靳常青組的特點就是用高壓的方法來研究超導。

當已經發(fā)現的鐵基超導體系不斷產出優(yōu)秀論文的時候，靳常青“要走別人沒走過的路，要做出自己的新體系”。他帶領團隊通過不懈嘗試和探索，在鐵基超導體1111體系和122體系之外，找到了第三種全新的以鋰鐵砷為代表的111體系超導體，引起了強烈的國際反響。由于鋰鐵砷超導體的自旋密度波性質和其他體系明顯不同，因此對進一步探索高溫超導的內在機制和提高超導轉變溫度具有重要意義。

正如趙忠賢所說，“熱的時候堅持，冷的時候也堅持;錢多的時候堅持，錢少的時候也堅持”。那么多年，總有一支隊伍在堅持。

物理所研究員任治安當時是趙忠賢組的主要成員之一，之前也是趙忠賢的博士生。在設備條件很差的情況下，他和研究生一起生長出了一系列轉變溫度在50K以上的鐵基超導體。任治安說：“研究要長期積累，長期堅持，原創(chuàng)性成果一定是在積累的基礎上獲得的。正是靠著積累，我們才從鐠氧鐵砷的行為想到去生長一系列氧缺位鐵基超導體。”

物理所研究員陳根富當時是王楠林組的一員干將，2007年10月回國加入該組后，即著手開展了LaFeAs(O,F)新超導體，還首次生長出一批高品質的超導單晶樣品，推動了相關鐵基超導機理的研究。

“鐵基超導是一個進步，是一個鼓勵，也是一次思想解放。”趙忠賢認為，他們所取得的一系列成績是因為超導研究在中國已經深深扎了根，有積累、有傳統(tǒng)、有人才，特別是各個年齡段的人才。

他相信，有了一代又一代扎根于中國的優(yōu)秀年輕人，超導研究還會取得新的成就。“未來的重大突破，一定有我們中國人的身影。”

探索更適于應用的超導體

“中國如洪流般不斷涌現的研究結果標志著在凝聚態(tài)物理領域，中國已經成為一個強國。”

也許大多數人還沒有察覺到，其實超導已經開始走進我們的生活。

近年來，國內外相繼研制成功了多種應用超導器件和材料，這些成果正在默默地為人類的工作、學習和生活提供著便利。如高溫超導濾波器已被應用于手機和衛(wèi)星通訊，并明顯改善了通信質量;超導量子干涉器件(SQUID)裝備在醫(yī)療設備上使用，則大大加強了對人體心腦探測檢查的精確度和靈敏度;世界上首個超導示范變電站也已在我國投入電網使用，它具備體積小、效率高、無污染等優(yōu)點，是未來變電站發(fā)展的趨勢。

上面提到的這些超導應用，在1911年荷蘭物理學家卡麥林˙昂尼斯發(fā)現超導時是絕對沒有任何人能想到的。同樣，超導在未來可能給人們生活帶來的變化，也會大大超乎人們今天的預料。

在超導研究的歷史上，已經有10人獲得了5次諾貝爾獎，其科學重要性不言而喻。

與銅氧化物高溫超導體不同，鐵基超導體從成線工藝的角度更加容易制造，同時還能夠承受更大電流，這就為更廣泛的應用奠定了基礎。但同時，鐵基超導體性質極為復雜，對科研人員的理論功底和實驗技能都提出了更高要求。

物理所研究員丁洪表示，實際上，研究清楚鐵基高溫超導體的機理十分困難，這與當年發(fā)現的銅氧化合物超導體有些類似，后者同樣在物理上非常難以理解。雖然鐵基超導轉變溫度沒有提高，但科學家對鐵基高溫超導體的物理性質、超導配對和超導機理的理解已更加深入。

目前，超導機理以及全新超導體的探索是物理學界最重要的前沿問題之一。同時，超導在科學研究、信息通訊、工業(yè)加工、能源存儲、交通運輸、生物醫(yī)學乃至航空航天等領域均有重大應用前景，受到人們的廣泛關注。

不過，趙忠賢坦言，與同時期處于研發(fā)高潮的激光技術相比，超導體的應用還遠遠不夠。

據預測，2020年與超導有關的產值可達2000億美元。“現在看來達到這個預期還有很大距離，關鍵在于成本和需求。”趙忠賢表示，解決這兩個問題，一是要發(fā)展和改進現有實用超導材料的制備工藝，提高制冷系統(tǒng)的性能以實現高可靠性和低成本的目標。二是開拓和培育市場。從長遠的角度來看，探索新的更適于應用的超導材料是十分必要的。

“新思路會加速超導的應用。”趙忠賢舉了個例子：電磁感應加熱是一項相當成熟的技術，廣泛地應用在有色金屬加熱方面。2008年開始出現利用超導磁體渦流加熱的設備和產品，目前正處于發(fā)展之中。傳統(tǒng)感應加熱方式的全效率為60%，使用較強超導的磁體和低速旋轉等優(yōu)化設計，可將效率提高到80%，而金屬加熱工業(yè)用電在發(fā)達國家占總用電量的5%，節(jié)能潛力非常可觀。

趙忠賢認為，對銅氧化合物超導體及鐵基超導體的微觀機理的了解，會極大推動凝聚態(tài)物理學的新發(fā)展;同時，一旦發(fā)現更適于應用或具有更高臨界溫度的超導體，便可能像集成電路那樣成為帶動世界經濟社會發(fā)展的新增長點。

他對超導研究的未來充滿希望：“超導研究已經扎根于中國，我相信，中國科學家在探索新的，更適于廣泛應用的，甚至室溫超導體方面一定能為人類文明作出更大的貢獻!”