超導(dǎo)材料的制備——六面頂液壓機(jī)

在中國科學(xué)技術(shù)館二層“探索與發(fā)現(xiàn)”展廳放置著一件科技文物——“六面頂液壓機(jī)六分之一部件”，它曾在我國研制鐵基高溫超導(dǎo)體材料的過程中發(fā)揮了重要作用。

超導(dǎo)是在一定溫度下電流可以無阻流動(dòng)的現(xiàn)象。超導(dǎo)現(xiàn)象最早是由荷蘭物理學(xué)家?？恕た┝帧ぐ簝?nèi)斯發(fā)現(xiàn)的。1911年，他用液氦將水銀的溫度降低到4.2K（約為-269℃）附近時(shí)，驚奇地發(fā)現(xiàn)水銀的電阻突然消失了。后來，人們又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了鉛、鈮等元素也有類似電阻突變?yōu)?的性質(zhì)。昂內(nèi)斯也因液氦制備和超導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，獲得了1913年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

超導(dǎo)電性發(fā)現(xiàn)已有百年歷史，它已經(jīng)成為物理學(xué)中的一個(gè)重要分支，與超導(dǎo)有關(guān)的諾貝爾獎(jiǎng)已經(jīng)授予了5次，是20世紀(jì)最偉大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一。

1987年，中國科學(xué)院物理所趙忠賢領(lǐng)銜的超導(dǎo)研究團(tuán)隊(duì)獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了液氮溫區(qū)銅氧化物高溫超導(dǎo)體，并在國際上首先公布了其元素組成，推動(dòng)了國際高溫超導(dǎo)研究熱潮。

2008年，趙忠賢團(tuán)隊(duì)又在鐵基高溫超導(dǎo)體方面取得了突破性進(jìn)展：發(fā)現(xiàn)系列50K以上鐵基高溫超導(dǎo)體，并創(chuàng)造了大塊鐵基超導(dǎo)體55K最高臨界溫度紀(jì)錄，從而實(shí)現(xiàn)了我國高溫超導(dǎo)研究從無到有，從追趕到領(lǐng)跑和引領(lǐng)國際超導(dǎo)研究的局面。因此，趙忠賢院士曾獲第三世界科學(xué)院TWAS物理獎(jiǎng)、陳嘉庚物質(zhì)科學(xué)獎(jiǎng)、國家自然科學(xué)一等獎(jiǎng)等很多獎(jiǎng)項(xiàng)。

中國科技館里展示的是由國家博物館收藏、趙忠賢團(tuán)隊(duì)鐵基高溫超導(dǎo)探索中使用的六面頂液壓機(jī)主要部件。這臺(tái)設(shè)備背后還有一段有趣的故事呢！1968年，物理學(xué)家麥克米蘭根據(jù)傳統(tǒng)理論計(jì)算推斷超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變溫度一般不能超過40K，但趙忠賢卻指出可以達(dá)到40—55K，甚至在某些情況下可以達(dá)到80K。這可不是吹牛，他們團(tuán)隊(duì)確實(shí)做到了從追趕到領(lǐng)跑國際的跨越。1986年，趙忠賢看到瑞士科學(xué)家的文章，認(rèn)為銅氧化物是個(gè)突破口，于是立刻開始搞研究。奈何條件簡陋，連燒樣品的爐子都需自制，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也需要盯著儀器表一個(gè)一個(gè)地記錄。無數(shù)個(gè)深夜苦熬，終于迎來了曙光。1987年，團(tuán)隊(duì)獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了臨界溫度93K的液氮溫區(qū)超導(dǎo)體，并在國際上首次公布其元素組成：釔—鋇—銅—氧。這是一個(gè)世界級的突破，意味著制冷難度和成本的大幅度降低，也標(biāo)志著中國的高溫超導(dǎo)研究躋身世界前列。

2008年，趙院士用他低價(jià)回收的二手“土炮”（六面頂液壓機(jī)），“玩”出了舉世矚目的重大突破，也“玩”出了臨界溫度的世界紀(jì)錄。這臺(tái)土炮原本是用于合成金剛石（人造鉆石）的，內(nèi)部大有乾坤：工作時(shí)可以從六個(gè)方向同時(shí)施加高壓，配合制造高溫，創(chuàng)造出高溫高壓的環(huán)境，是制備高溫超導(dǎo)材料的理想設(shè)備。后來的50K以上鐵基超導(dǎo)體系列并創(chuàng)造55K記錄的“功臣”都是“土炮”。這一創(chuàng)造性的突破，標(biāo)志著人類發(fā)現(xiàn)了新一類的高溫超導(dǎo)體，超導(dǎo)技術(shù)從而走向了大規(guī)模開發(fā)應(yīng)用。