半個(gè)世紀(jì)的超越與導(dǎo)引
——記國(guó)家最高科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)獲得者趙忠賢

文/荊鴻

半個(gè)世紀(jì)的超越與導(dǎo)引
——記國(guó)家最高科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)獲得者趙忠賢

文/荊鴻

1987年，趙忠賢及合作者發(fā)現(xiàn)液氮溫區(qū)高溫超導(dǎo)體，并在國(guó)際上首次公布其元素組成為釔鋇銅氧。國(guó)際上很多實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證了中國(guó)的工作，掀起國(guó)際高溫超導(dǎo)研究熱潮。趙忠賢因此于1987年獲得第三世界科學(xué)院物理獎(jiǎng)，這是中國(guó)科學(xué)家首次獲此獎(jiǎng)項(xiàng)。1989年，其因“液氮溫區(qū)氧化物超導(dǎo)電性的發(fā)現(xiàn)”獲國(guó)家自然科學(xué)集體一等獎(jiǎng)。

2014年初，時(shí)隔20余年，趙忠賢等再次憑借高溫超導(dǎo)研究問(wèn)鼎象征中國(guó)基礎(chǔ)研究原始創(chuàng)新能力的國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)，此前這一獎(jiǎng)項(xiàng)已經(jīng)連續(xù)空缺3年。2015年，趙忠賢被授予“馬蒂亞斯獎(jiǎng)”，這是國(guó)際超導(dǎo)領(lǐng)域重要獎(jiǎng)項(xiàng)。

50多年前，在非常薄弱的基礎(chǔ)上，他進(jìn)行超導(dǎo)研究。半個(gè)世紀(jì)過(guò)去，作為我國(guó)自己培養(yǎng)的一位杰出科學(xué)家，他使高溫超導(dǎo)扎根中國(guó)，躋身國(guó)際前列。

為了實(shí)現(xiàn)這一夢(mèng)想，他傾盡最好年華、最大精力，從一名風(fēng)華正茂的青年耕耘到古稀之年，培養(yǎng)和影響一批優(yōu)秀人才，傳承科學(xué)火種。

起跑：超導(dǎo)競(jìng)賽拉開(kāi)帷幕

超導(dǎo)，全稱超導(dǎo)電性，是指某些材料在溫度降低到某一臨界值（即超導(dǎo)臨界溫度）以下時(shí)，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。

超導(dǎo)體看似陌生，其實(shí)在我們身邊應(yīng)用廣泛：許多醫(yī)院用的核磁共振成像儀核心部件是超導(dǎo)磁體；北美地區(qū)有幾千臺(tái)高溫超導(dǎo)濾波器用于手機(jī)基站，與傳統(tǒng)基站相比大大改善通信質(zhì)量；2012年發(fā)現(xiàn)“上帝粒子”的歐洲核子中心大型對(duì)撞機(jī)中，幾十公里長(zhǎng)的超導(dǎo)加速環(huán)和幾層樓高的超導(dǎo)探測(cè)器都是最關(guān)鍵部件……

此外，它還在信息通訊、生物醫(yī)學(xué)、航空航天等領(lǐng)域有著巨大應(yīng)用潛力，一旦超導(dǎo)技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，將為人類創(chuàng)造相當(dāng)可觀的效益。正因如此，超導(dǎo)競(jìng)賽一直在全世界悄悄進(jìn)行，各國(guó)在超導(dǎo)領(lǐng)域展開(kāi)激烈競(jìng)爭(zhēng)。比如，德國(guó)利用高溫超導(dǎo)磁體渦流加熱技術(shù)，將熱加工鋁材的電能轉(zhuǎn)化效率提高了30%。

作為當(dāng)今物理學(xué)界最重要前沿問(wèn)題之一，超導(dǎo)吸引了無(wú)數(shù)科學(xué)家目光。自1911年人類發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)以來(lái)，已頒發(fā)5次諾貝爾獎(jiǎng)給10位研究超導(dǎo)的科學(xué)家。

然而，令科學(xué)家困擾的是，超導(dǎo)體轉(zhuǎn)變溫度有一個(gè)極限值。科學(xué)家麥克米蘭根據(jù)獲1972年諾貝爾獎(jiǎng)的BCS理論計(jì)算，認(rèn)為超導(dǎo)臨界溫度最高不大可能超過(guò)40K（K為開(kāi)爾文溫度常用符號(hào)，40K約為零下233攝氏度），他的計(jì)算得到國(guó)際學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)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(dǎo)體，一直是全世界物理學(xué)家的研究熱點(diǎn)。

1973年，經(jīng)周總理批示，我國(guó)一批年輕學(xué)生和學(xué)者被派往國(guó)外學(xué)習(xí)，趙忠賢借此機(jī)會(huì)于1974年到英國(guó)劍橋大學(xué)進(jìn)修，接觸到世界超導(dǎo)研究最前沿。1975年回國(guó)，趙忠賢開(kāi)始“探索高臨界溫度超導(dǎo)體”，尋找臨界溫度在40K以上超導(dǎo)體。

實(shí)在太大膽了！好在趙忠賢作為當(dāng)時(shí)極少數(shù)“歸國(guó)人才”得到支持，“探索高臨界溫度超導(dǎo)體”研究得以在全國(guó)組織推廣。他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在世界科學(xué)界數(shù)十年“超導(dǎo)競(jìng)賽”中不為浮躁所動(dòng)、不被質(zhì)疑所困，始終瞄準(zhǔn)科學(xué)前沿，在堅(jiān)守中不斷創(chuàng)新突破。截至1986年底，他已組織召開(kāi)6屆研討會(huì)，克服多種困難，為我國(guó)在高溫超導(dǎo)研究領(lǐng)域突破奠定重要基礎(chǔ)。

加速：突破“麥克米蘭極限”

“現(xiàn)在我國(guó)超導(dǎo)研究能躋身世界前列，與我們對(duì)超導(dǎo)認(rèn)識(shí)比較早有很大關(guān)系?！比缃裨僬劤瑢?dǎo)，趙忠賢一直慶幸我國(guó)“醒得早”。然而，當(dāng)年“早醒”的中國(guó)缺乏成熟的條件?！耙郧敖?jīng)費(fèi)和設(shè)備是現(xiàn)在條件的1%，實(shí)驗(yàn)條件落后發(fā)達(dá)國(guó)家30年?！壁w忠賢回憶說(shuō)。

面對(duì)困難，只能擼起袖子干。沒(méi)有設(shè)備，趙忠賢帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)自己搭建，盡管條件艱苦到被窩里捉老鼠，趙忠賢仍樂(lè)觀地認(rèn)為，自己的相對(duì)劣勢(shì)沒(méi)有那么大?！跋鄬?duì)于其他科學(xué)研究來(lái)講，超導(dǎo)材料探索不需要特別高級(jí)復(fù)雜的儀器，我愿意充分利用現(xiàn)有條件去研究?！?/p>

趙忠賢院士

多少個(gè)不眠之夜，反反復(fù)復(fù)試驗(yàn)，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(shí)候，他和團(tuán)隊(duì)成員相互鼓勵(lì)：“別看現(xiàn)在這個(gè)樣品不超導(dǎo)，新的超導(dǎo)體可能就誕生在下個(gè)樣品中。”終于，1986年底，趙忠賢團(tuán)隊(duì)和國(guó)際上少數(shù)幾個(gè)小組幾乎同時(shí)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(dǎo)體。一時(shí)間，世界物理學(xué)界為之震動(dòng)，“北京的趙”多次出現(xiàn)在國(guó)際著名科學(xué)刊物上。

與此同時(shí)，趙忠賢團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)70K超導(dǎo)跡象，這已離77K液氮溫區(qū)不遠(yuǎn)。不過(guò)，經(jīng)過(guò)反復(fù)思考試驗(yàn)，趙忠賢意識(shí)到：由于實(shí)驗(yàn)樣品用原料含有雜質(zhì)，70K跡象的出現(xiàn)可能是雜質(zhì)發(fā)揮了某種作用。

頂著巨大壓力，趙忠賢沒(méi)有放棄，他主動(dòng)“引入雜質(zhì)”。趙忠賢清楚地記得，就在1987年2月19日深夜，他們團(tuán)隊(duì)在鋇—釔—銅—氧中發(fā)現(xiàn)臨界溫度93K液氮溫區(qū)超導(dǎo)體！1987年2月24日，中國(guó)科學(xué)院數(shù)理學(xué)部舉行新聞發(fā)布會(huì)宣布這一發(fā)現(xiàn)，并在世界上首次公布元素組成。

他成功了！趙忠賢等人的發(fā)現(xiàn)使得超導(dǎo)體低溫環(huán)境創(chuàng)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(qū)超導(dǎo)體旋風(fēng)。趙忠賢所在集體因此榮獲1989年度國(guó)家自然科學(xué)集體一等獎(jiǎng)，他作為團(tuán)隊(duì)代表獲得第三世界科學(xué)院物理獎(jiǎng)。

超越：鐵基超導(dǎo)再掀高潮

1987年，世界性超導(dǎo)競(jìng)賽迎來(lái)巔峰時(shí)刻，趙忠賢作為五位特邀報(bào)告人之一參加美國(guó)物理學(xué)會(huì)3月會(huì)議。1100人大廳里，擠進(jìn)3000多人，被高溫超導(dǎo)突破吸引來(lái)的物理學(xué)家擠滿整個(gè)會(huì)場(chǎng)，狂熱場(chǎng)面持續(xù)7個(gè)多小時(shí)，報(bào)告一直繼續(xù)到次日凌晨3點(diǎn)。

這場(chǎng)會(huì)議后被稱作“物理學(xué)界的搖滾音樂(lè)節(jié)”。面對(duì)幾千人參加的年會(huì)作演講，趙忠賢向世界展示中國(guó)超導(dǎo)研究重大突破，倍感光榮與驕傲。趙忠賢說(shuō)：“榮譽(yù)歸于國(guó)家，成績(jī)屬于集體。我就是一個(gè)普通人，只是做好了自己的本職工作?！?/p>

無(wú)論是經(jīng)歷輝煌，還是面對(duì)低谷，趙忠賢都能保持一份平和心態(tài)，繼續(xù)潛心研究，厚積薄發(fā)。也是這種對(duì)科學(xué)的孜孜以求，讓趙忠賢在20年后再次引領(lǐng)世界熱潮，收獲超導(dǎo)研究第二次突破。

2008年，日本科學(xué)家表示在鑭—氧—鐵—砷體系中存在26K超導(dǎo)電性，與趙忠賢“在具有多種相互作用四方層狀結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中會(huì)有高溫超導(dǎo)電性”新思路是一致的。趙忠賢立刻意識(shí)到，這一類鐵砷化合物（后來(lái)被稱作“鐵基超導(dǎo)體”）很可能是新的高溫超導(dǎo)體。

趙忠賢提出高溫高壓合成結(jié)合輕稀土元素替代方案，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)全力以赴。團(tuán)隊(duì)里，有負(fù)責(zé)高溫高壓合成的、有負(fù)責(zé)測(cè)量以鑒別超導(dǎo)電性的，還有做常壓合成、高壓物性研究和單晶生長(zhǎng)的。他們用從淘汰設(shè)備中撿回來(lái)的設(shè)備做實(shí)驗(yàn)，一臺(tái)被大家叫做“土炮”的壓機(jī)壞了修、修了壞，把有限的條件用到極限。

很短時(shí)間，他們首先做出52K鏷鐵砷氧氟超導(dǎo)體，緊接著51K釹鐵砷氧氟和55K釤鐵砷氧氟超導(dǎo)體相繼做出，整個(gè)團(tuán)隊(duì)非常興奮。很快他們合成絕大多數(shù)50K以上系列鐵基超導(dǎo)體、創(chuàng)造大塊鐵基超導(dǎo)體55K最高臨界溫度紀(jì)錄并保持至今，為確認(rèn)鐵基超導(dǎo)體為第二個(gè)高溫超導(dǎo)家族提供重要依據(jù)。當(dāng)時(shí)已67歲的趙忠賢帶領(lǐng)年輕人幾乎通宵工作，完成鐵基超導(dǎo)研究最關(guān)鍵三篇論文。

趙忠賢的研究得到國(guó)際高度評(píng)價(jià)。美國(guó)《科學(xué)》雜志3次報(bào)道趙忠賢及其團(tuán)隊(duì)工作，并評(píng)論，“中國(guó)如洪流般不斷涌現(xiàn)的研究結(jié)果，標(biāo)志著在凝聚態(tài)物理領(lǐng)域中國(guó)已經(jīng)成為強(qiáng)國(guó)”。