趙忠賢：高溫超導的中國力量

文/王潤秋 邢小英

趙忠賢，中國高溫超導研究的奠基人之一。1941年1月30日出生于遼寧省新民縣。1959—1964年他在中國科學技術大學物理系學習，畢業(yè)后被分配到我國低溫物理與技術的發(fā)源地——中國科學院物理研究所工作。

1974年他被派往英國劍橋大學學習，從事第Ⅱ類超導體量子磁通運動研究，這一現(xiàn)象最早由荷蘭物理學家卡末林·昂尼斯于1911年發(fā)現(xiàn)，之后不斷有科學家為之付出不懈努力。1977年，趙忠賢在《物理》雜志上發(fā)文闡述對“探索高臨界溫度超導體”的看法。從1976年起積極倡導、推動和踐行探索高臨界溫度超導體（以下簡稱高溫超導體）和相關機理研究，為高溫超導研究在我國的啟動、扎根和發(fā)展并進入國際前列作了突出貢獻。趙忠賢是國際上最早認識到柏諾茲和繆勒關于“在Ba-La-Cu-O中存在35K超導性可能”（后獲諾貝爾獎）的重要意義的少數(shù)幾位學者之一。該工作與他多年堅持的“結構不穩(wěn)定性可以導致高臨界溫度”的思路產生共鳴。1987年2月，趙忠賢及合作者獨立發(fā)現(xiàn)液氮溫區(qū)高溫超導體，并在國際上首次公布其元素組成為Ba-Y-Cu-O，推動了國際高溫超導研究熱潮。1987年獲得第三世界科學院TWAS物理獎，這是中國科學家首次獲此獎項。1989年因“液氮溫區(qū)氧化物超導電性的發(fā)現(xiàn)”獲國家自然科學獎集體一等獎（排名第一）。1987年晉升為研究員且當選第三世界科學院院士。1991年當選中國科學院學部委員（院士）。2008年日本一小組報道了LaFeAsO有26K的超導電性，趙忠賢結合他的學術思路，認識到其中可能孕育著新的突破。基于LaFeAs（O，F(xiàn)）壓力效應研究，趙忠賢提出輕稀土元素替代和高溫高壓的合成方案，率先將鐵基超導體的臨界溫度從26K提高到52K，顯著超過了40K的麥克米蘭極限。很快又合成了絕大多數(shù)50K以上的系列鐵基超導體，創(chuàng)造了大塊鐵基超導體55K最高臨界溫度紀錄。2013年，趙忠賢因“40K以上鐵基高溫超導體的發(fā)現(xiàn)及若干基本物理性質研究”榮獲國家自然科學獎一等獎；2015年，獲得國際超導領域重要獎項Matthias獎。2017年1月，他榮獲2016年度國家最高科學技術獎。趙忠賢在接觸超導后便醉心于超導研究，誰知在這個領域一做就是一輩子，這已成為他不可割舍的一部分。

癡迷科學，選定航向

上小學時，一位姓蘇的老師做過一個實驗，給他留下了深刻的印象。那是在一次自然課上，蘇老師做了一個神奇的實驗：在一個玻璃罩里放了一只小老鼠，開始時老鼠沒有什么變化，活動很正常；往玻璃罩里增加些氧氣，老鼠就表現(xiàn)得很活躍；過了一會兒老鼠把玻璃罩里的氧氣消耗了一些，老鼠就變得越來越蔫。這個實驗說明氧氣太多和太少都會導致老鼠活動異常，是一個說明氧氣對生命作用的實驗。這個“神奇現(xiàn)象”激發(fā)了他對自然奧秘探索的興趣。每當回想起當年的情景，他都會深情地懷念這位老師。趙忠賢說他后來對自然科學的追求，也許就萌芽于這次小實驗。在那之后他始終沉迷于這樣的“神奇現(xiàn)象”。

趙忠賢，物理學家，2016年度國家最高科學技術獎獲得者。中國科學院學部委員（院士），中國高溫超導研究奠基人之一。趙忠賢長期從事低溫超導研究，探索高溫超導電性研究，是中國高溫超導研究主要的倡導者、推動者和踐行者，為高溫超導研究在中國扎根并躋身國際前列作出了重要貢獻。圖為2017年趙忠賢在辦公室。

在初中時，他對平面幾何癡迷，常常在課下與同學討論交流怎么證明。上高中時，趙忠賢文科理科都不錯，是學習成績優(yōu)秀的學生。1956年，中共中央提出了“向科學進軍”的號召。這一年，一本有重大影響的科普雜志《知識就是力量》創(chuàng)刊了。這本雜志一問世就吸引了趙忠賢，他從雜志中了解到了很多科學技術的新進展，如人造衛(wèi)星、原子能和平利用、半導體、火箭、自動化等等。這些科普文章使他開闊了眼界，擴大了科技知識面，成了科技愛好者。趙忠賢對物理產生了濃厚的興趣，解物理難題是他的一大愛好，但更吸引他的是物理實驗，他還自己動手制作礦石收音機等。

高考時他將自己未來的發(fā)展方向定在了理工科。偶然一次機會，他看到了一本中國科學技術大學招生簡章，封面上的火箭環(huán)繞地球的圖片吸引了他，在他翻開招生簡章后發(fā)現(xiàn)里面所列的科系都與國家的科學發(fā)展有關，還有趙忠堯、錢學森、華羅庚等許多著名科學家在學校任教。在班主任的幫助下，他報考了中國科技大學。

1959年他考入中國科學技術大學物理系。中科大是由中國科學院管理的大學，實施“全院辦校，所系結合”的辦學方針，很多知名的科學家都自愿到中科大講課。在這里，趙忠賢聆聽過嚴濟慈、錢臨照、張宗隧、朱洪元、洪朝生等科學家講課，也聆聽過錢三強等大師的演講，這些著名科學家的言傳身教給趙忠賢留下了深刻的印象，潛移默化地鑄造了他思考、觀察和解決問題的方式。大師的知識似春雨滋潤著學生的心田，似種子播種以后定會生根、開花、結果。趙忠賢暢游在知識的海洋中。

趙忠賢在大學時代第一次接觸了超導，從此就陷進了這個高深莫測而又妙趣橫生的低溫世界。在中科大的五年，正是國家三年困難時期。中科大當時的主樓剛蓋好，冬天沒有暖氣。天氣冷，老師講課講到一半時，就和同學們一起跺腳取暖，然后繼續(xù)上課。周末，趙忠賢還經常跑很遠的路到東郊拜師學日文。對大多數(shù)學生來說，做實驗是未來工作的必修課，中科大的實驗室即使是晚上也經常開放。趙忠賢在大一的時候就和幾個同學到實驗室里進行了自己設計的實驗，并且有機會到中國科學院物理所的實驗室實習，從事真正的科學研究工作。

他根據自己對超導的理解與研究，到實驗室進行鉛鉍合金的實驗，考慮熔點比較低，實驗室電爐就能煉。當時課題組正在做一種均勻的磁場，他想結合這個課題，看能否通過凍結磁場來做到和證明這一點。選了這個題目歪打正著，做完之后看到美國的《Physical Review Letter》發(fā)表了一篇文章，基本流程跟他的實驗一樣。當時通信比較慢，看到美國文獻是在實驗之后，別人做的實驗應該更早，趙忠賢為相同見解感到高興。三年的基礎課學習結束，他選定了自己事業(yè)之舟的航向，以第一志愿攻讀低溫物理專業(yè)。

刻苦鉆研，厚積薄發(fā)

1964年，趙忠賢從中國科學技術大學畢業(yè)，被分配到我國低溫物理與技術的發(fā)源地——中國科學院物理研究所。在他的回憶里，當時的科研條件是艱苦的，卻又是快樂的。在這里，他更多地接觸到充滿著誘惑力的一個個新課題、一項項新任務。開始，他參加超導計算機器件的研制，把半導體的光刻技術應用到超導器件的制備工藝上。后來，他承擔了國防任務，積極參加并領導研制為提供紅外雷達和參量放大雷達用的微型制冷機。該系統(tǒng)體積小、振動小，在低溫下運轉穩(wěn)定，壽命長。它作為這個所低溫技術成果的組成部分之一，曾獲得全國科學大會的獎勵。

1974年，組織選送趙忠賢去英國學習，他先在英國國家物理實驗室，后來進入劍橋大學冶金及材料科學系進修。在導師的指導下，從事有關第Ⅱ類實用超導體的研究課題。為了探索這類超導體的“謎”，趙忠賢在實驗室里經過了無數(shù)次研究方案的推敲，無數(shù)遍精心實驗，每天一干就十幾個小時，常常工作到深夜。僅僅一年的時間，他發(fā)現(xiàn)了第Ⅱ類超導不可逆量子磁通線在運動過程中，從非線性到線性區(qū)轉變的臨界點與臨界電流呈線性關系。對此，他的導師、超導物理學家艾維茨博士稱贊道：“如果是我的博士生能在三年內做出這樣的結果，那就是非常好的?！痹擁椆ぷ髟诘?5屆國際低溫物理學會議上宣讀，后又發(fā)表在法國的一本學術刊物上。

超導（全稱超導電性）是一種宏觀量子現(xiàn)象，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(xiàn)象。因此具備這種特性的材料稱為超導體。所謂“高溫超導體”，是指臨界溫度在40K（約零下233攝氏度）以上的超導體。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，他的計算得到了國際學術界的普遍認同，40K也因此被稱作“麥克米蘭極限”。因此高溫超導體一直是人們密切關注的一個話題。尋找高轉變溫度的超導體一直是人們的夢想。1975年，美國固體物理學家訪華代表團訪問中國科學院物理研究所時就曾有人戲言：“除非將室溫降到液氦溫度，人們才能獲得室溫超導體?！比欢?，超導體誘人的應用前景，以及它產生的深遠影響，始終受到國際學術界的普遍關注。

1975年回國后，趙忠賢躊躇滿志，繼續(xù)開展對超導材料的研究。由他和所內有關專家共同倡議，自1976年以來，在物理所和物理學會的支持下，匯聚國內超導人才，先后舉行了6次關于高轉變溫度超導體的全國性學術會議，并擔任了第5次會議的領導小組組長。1977年的全國自然科學規(guī)劃會議還把超導技術的研究正式列為凝聚態(tài)物理研究的五項重點之一。隨后，他在物理所參與組織籌建超導體研究室，擔任了該研究室副主任，并多次撰寫超導體的科普與評論性文章，在國內予以宣傳。無疑，這些努力在推動我國超導研究及其應用的發(fā)展方面起到積極作用。同年他在《物理》雜志上發(fā)表了關于“探究高臨界溫度超導體”的文章。1983年,他開始研究氧化物超導體BPB系統(tǒng)及重費米子超導性。

1986年，在美國國際商業(yè)機器公司（IBM）蘇黎世研究實驗室工作的德國物理學家柏諾茲（J. Georg Bednorz）和瑞士物理學家繆勒（K.Alexander Muller）在自己制備的鋇鑭銅氧（Ba-La-Cu-O）樣品中，利用電阻測量發(fā)現(xiàn)了35K超導電性的可能性，其研究成果發(fā)表在9月中旬出版的德國《物理學雜志》，但這項成果當時并沒有得到大多數(shù)同行的重視。趙忠賢在1986年9月從圖書館得知4月繆勒和柏諾茲（1987年獲諾貝爾物理學獎）發(fā)現(xiàn)了鋇鑭銅氧化合物在30K時存在著超導電性的可能性時，對其進行了認真分析，意識到了它的價值和意義，并作出了積極的反應，與其他科研人員合作開始著手研究。

1986年年底，趙忠賢的團隊和國際上少數(shù)幾個小組幾乎同時在Ba-La-Cu-O體系中突破了麥克米蘭極限，獲得了40K以上的高溫超導體。一時間，世界物理學界可以說是地動山搖，傳統(tǒng)理論的崩塌讓“北京的趙”出現(xiàn)在國際著名物理學刊物上。此時他（或以他為主要參與者）在國內外發(fā)表的論文達30余篇，曾在美國、法國和西德等國舉行的國際學術會議上宣讀過，得到了與會學者的好評和關注，并被國際上有關雜志刊登或選入會議論文集。

1976年至1986年，趙忠賢的研究范圍廣泛，學術思想活躍，并顯露其科研組織工作的才能。他和同事們、研究生與有關單位合作，主要集中于兩個方面的研究工作：一是亞穩(wěn)相的材料，二是非常規(guī)超導體。

1987年趙忠賢團隊小組獨立地發(fā)現(xiàn)了液氮溫度超導體，并首先向世界上公布了其化學成分Ba-Y-Cu-O（后來都稱之為YBCO），這一研究成果推動了很多國家的超導研究。液氮溫度超導體是集體智慧的結晶，共同努力的結果，這次研究工作的學術帶頭人趙忠賢更是熬過多少個不眠之夜?；蛟S就是這樣，挑戰(zhàn)與勝利往往結伴而來。

1987年，美國物理學會邀請趙忠賢作為5位特邀報告人之一，參加被稱作物理學界的搖滾音樂節(jié)的3月會議，會議持續(xù)了7個多小時。5位特邀報告人是：瑞士的Muller（繆勒）、日本的Tanaka（田中）、美國的Paul Chu（朱經武）、中國的趙忠賢和美國的Batlogg。趙忠賢作為這5位特邀演講者之一在會上作了報告，接著又作為特邀學者出席了有關高溫超導的新聞發(fā)布會。在當時，這是中國科學家國際學術舞臺上少有的亮相，標志著中國高溫超導研究躋身于國際前列。會議組織者之后激動地說道：“……是他們開動了引擎?！鳖D時，在盛況空前的會議大廳內外，爆發(fā)出雷鳴般的掌聲。此情此景，趙忠賢的心醉了，有什么比為祖國贏得榮譽更能令人激動呢。

在1987年，柏諾茲和繆勒因發(fā)現(xiàn)金屬氧化物高溫超導體，獲得了諾貝爾物理學獎。當時有人認為如果中國的研究條件能夠好些，那么超導的諾貝爾獎獲得者就可能有中國人了（言外之意：就可能是趙忠賢了）。然而，趙忠賢不以為然地說：“你說得不對。如果我們條件好，取得的研究成果是會更快、水平更高，但是也應該是柏諾茲和繆勒拿獎。他們是打開窗戶的人、是開創(chuàng)者，他們對氧化物超導的認識比我們深刻。同時，搞科學要有精神，一味強調客觀，什么事情都做不成了。”可見他做研究是為科研工作貢獻一份力量，不是為了外在因素。

1988年，趙忠賢擔任全國超導技術聯(lián)合研究開發(fā)中心副主任、《低溫物理學報》副主編等職。1987年晉升為研究員并當選第三世界科學院院士。但在誠摯的祝賀與榮譽面前，他更多的是注視未來。應該說，在千載難逢的超導研究重大突破和激烈的角逐中，機遇之于趙忠賢，是和他執(zhí)著的追求聯(lián)系著的。中國的國情限制，研究力度以及投入與國外相差很遠。

一輩子只做一件事

2008年他再次取得世界水平的重大科學成果。他提出了高溫高壓合成結合輕稀土元素替代的方案，并領導研究小組采用高壓合成方法合成了絕大多數(shù)臨界溫度50K以上的鐵基超導體，并創(chuàng)造了鐵基超導臨界溫度55K的紀錄。他的發(fā)現(xiàn)為確認鐵基超導體為第二個高溫超導家族提供了重要依據，實現(xiàn)了高溫超導研究領域的第二次突破。

在這期間，他以67歲的年紀3次帶領年輕人幾乎通宵工作，完成了初期最關鍵的3篇論文。在趙忠賢看來，搞科研最重要的一點是能夠迅速抓住問題的本質，并駕馭自己的知識和能力去解決它。他說：“如果說我做科研有什么優(yōu)勢，那就是我的科研直覺比較準，我能夠感覺到正確的方向在哪里。而這種科研直覺來自大量的經驗，來自在長期堅持后的積累，是長期積累的升華吧。”

美國《科學》雜志3次報道趙忠賢小組的工作，予以充分肯定。趙忠賢小組的成果作為“40K以上鐵基高溫超導體的發(fā)現(xiàn)及若干基本物理性質研究”的重要部分，榮獲2013年度國家自然科學獎一等獎。趙忠賢在鐵基超導研究中的突破讓鐵基超導材料走向應用成為可能。鐵基超導材料在工業(yè)、醫(yī)學、通信、國防等諸多領域具有廣闊的應用前景，被認為是最具發(fā)展前景的新型高溫超導體之一。

現(xiàn)在醫(yī)院里用的部分核磁共振成像儀的核心部件是1.5特斯拉（磁感應強度的度量單位）或3特斯拉的超導磁體。北美地區(qū)有幾千臺高溫超導濾波器用在手機基站上，與傳統(tǒng)基站相比大大改善了通信質量。2012年發(fā)現(xiàn)“上帝粒子”的歐洲核子中心的大型對撞機中，幾十公里長的超導加速環(huán)和多個有幾層樓高的超導探測器都是最關鍵的部件。

超導體在航空航天、信息通信、能源存儲等領域有著重要應用前景。國內已經有電廠使用超導技術，在國外，德國利用高溫超導磁體的渦流加熱技術，將鋁材熱加工的電能轉化效率提高30%。一旦超導技術得到廣泛的應用，將為人類創(chuàng)造相當可觀的效益。日本已計劃在2027年開始運行采用超導的時速500公里的磁懸浮列車新干線。自1911年人類發(fā)現(xiàn)超導以來，諾貝爾獎已5次頒發(fā)給10位研究超導的科學家。

2016年9月，我國研制出全球首根百米量級鐵基超導長線。這一消息在業(yè)內引起極大的轟動，被認為是鐵基超導材料從實驗室研究走向產業(yè)化進程的關鍵一步，在美、日、歐等國家的鐵基超導線制備還處于米級水平的時候，我國已走在世界最前沿。這一切，與中科院院士、物理學家趙忠賢在鐵基高溫超導研究上的突破是不可分割的。

半個世紀以來，趙忠賢的名字一直與我國超導發(fā)展緊密相連。他在我國最早提出要探索高溫超導體；最早建議成立國家超導實驗室；在高溫超導研究出現(xiàn)的兩次重大突破中都作出了重要貢獻，代表中國站到國際物理學界的大舞臺；他的研究成果曾兩次獲得國家自然科學獎一等獎。

2017年1月9日，中國科學院院士、中國科學院物理研究所研究員趙忠賢榮獲2016年度國家最高科學技術獎。在獲得國家最高科學技術獎之后，趙忠賢曾和幾個朋友談到他這些年走過的路，一個朋友說：“1997年你當選中共中央候補委員，爭取一個高一點的職務還是有可能的。”趙忠賢笑著說：“我沒有那個本事，干不了，我還是老老實實干我的超導吧。我就有這點本事，也許這樣還能為國家做點事?！边^了一會兒他又說：“有一個名牌大學曾考慮請我當校長。我想過，我真的沒有那個本事，還是請別人去做吧。我上大學的時候，只想好好學習，一心只想為國家的科學發(fā)展出力，連當個組長的‘野心’都沒有。”

1992 年前后，趙忠賢在實驗室工作

趙忠賢說：“我這一輩子只做一件事，就是探索超導體、開展超導機理研究。”正是這份專注，使他堅持研究高溫超導40余年。從某種意義上講，科研之路艱難而漫長。正是愿意快樂地面對挑戰(zhàn)，即使身處逆境，他也不灰心、不放棄，總是滿懷希望。

專注科研，不忘科普

他對物理研究始終保持著最初的熱情，并具有一定的敏銳度，能及時發(fā)現(xiàn)新的研究方向。對趙忠賢來說，做研究要具備兩方面：一是堅韌不拔地獻身科學和報效社會的精神，二是不斷地提高實驗技術水平和分析的能力。最重要的是敢于創(chuàng)新。學習前人“重見解”“尚新知”的傳統(tǒng)，同時也有責任積極推動超導應用以造福人類。

趙忠賢不僅專注于自己的研究，也經常鼓勵學生，他對學生們說：“不要只盯著論文，要真的去解決科學問題；堅持十年，一定會有突破。現(xiàn)在社會上各種誘惑很多，好像很多選擇都比做科研賺錢，但如果選擇了科研這條道路，不妨安下心來，堅持一下，我相信你們堅持十年一定會有重大突破?？茖W家從超導發(fā)現(xiàn)伊始就一直在堅持探索新超導體?！?/p>

趙忠賢院士曾說過：“高溫超導的成果猶如一滴水，滴水成涓，匯聚到人類文明的長河之中。一代人做一代人的事。我愿做鋪路石子，讓年輕的朋友大展宏圖。為實現(xiàn)中華民族偉大復興的中國夢、為人類的文明進步作出新的貢獻?！逼鋵?，這段話也是他對于科普和科技館事業(yè)的一貫態(tài)度。能為國家作出巨大貢獻的科學家不在少數(shù)，但是既能潛心進行科學研究，又能時時關心科學普及工作，視培養(yǎng)青少年成長為己任的科學家并不是很多，趙忠賢就是這樣一位關心科普事業(yè)的大科學家!

科學雖是一件嚴肅的事，但對不同年齡層次的人來說，學習科學的方式也應有所不同，“科普”就是這樣一件事?？赡艽蠖鄶?shù)人會認為像趙忠賢這樣的物理學家沒有時間做這些事，他應該把時間都用在做前沿的科學研究上，但在他看來，這件事同樣重要。他認為這是科學研究的入門，“了解科學是一種享受，能獲新知，引發(fā)好奇，提升情趣?！?/p>

這個想法也源于1974年至1975年趙忠賢曾赴英國劍橋大學等著名實驗室進修。這期間，他去過幾次倫敦科學博物館參觀，看到很多青少年在那里活動，熙熙攘攘十分活躍。他想：我們的國家也應有這樣的科技博物館，讓孩子們從小就能接觸科學，他們長大后才能為我國的科學事業(yè)作貢獻。還有一個原因在于，趙忠賢特別欣賞兩位法國科學家：1991年諾貝爾物理學獎獲得者熱納和1992年諾貝爾物理學獎獲得者夏帕克。他們二人在榮獲諾貝爾獎之后投入很大精力推動中小學的教育改革，并從事一些科普活動。趙忠賢認為這是一名科學家應該做的事情。

總之，雖然超導電性的研究已有百年歷史，但依然年輕。超導已經開始造福人類并有著廣泛的應用前景，21世紀一定會有新的技術成為經濟的新增長點。如果在超導材料方面有新的重大突破，則有可能成為這類新技術的候選者。對超導電性的深入認識一直推動著量子力學和物理學的發(fā)展，高溫超導體的發(fā)現(xiàn)又帶來了新的機遇和挑戰(zhàn)。這是一個依然充滿挑戰(zhàn)與機遇的領域，中國科學家應該也能夠為人類的文明作出新的、無愧于前人的貢獻。在這巨大的進步中，不得不感謝高溫超導的中國力量——趙忠賢的無私奉獻，有了他的開創(chuàng)性工作的奠基，中國的超導研究將會更上一層樓！