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超导,跨域半个世纪的追逐——记国家最高科学技术奖获得者、物理学家赵忠贤

2017年01月09日 11:20   来源:中国经济网   杜芳

  中国经济网北京1月9日讯(记者 杜芳)50余年前,他(注:赵老师所读的中国科学技术大学当时的校址在北京玉泉路)在一穷二白、基础薄弱的新中国开始了超导研究,半个世纪过去了,他作为我国自己培养的科学家的杰出代表,使高温超导扎根中国,跻身国际前列。为了这一天,他倾尽自己最好的年华、最大的精力,从一个翩翩青年做到古稀白发,还不够,他还培养和影响了一批优秀人才,将科学的火种继续传承,取得了世界领先的成绩。他就是著名物理学家,我国高温超导研究的奠基人之一——赵忠贤。

  起跑:超导竞赛拉开帷幕

  超导,全称超导电性,是指某些材料在温度降低到某一临界值(即超导临界温度)以下时,电阻突然消失的现象。具备这种特性的材料称为超导体。

  超导体看似陌生,其实在我们的身边应用广泛:许多医院里用的1.5T和3T的核磁共振成像仪的核心部件是1.5特斯拉或3特斯拉的超导磁体;北美地区有几千台高温超导滤波器服务在手机基站上,与传统基站相比大大改善了通信质量;2012年发现“上帝粒子”的欧洲核子中心的大型对撞机中,几十公里长的超导加速环和多个有几层楼高的超导探测器都是最关键的部件……

  此外,它还在信息通讯、生物医学、航空航天等领域有着巨大的应用潜力,一旦超导技术得到广泛的应用,将为人类创造相当可观的效益。可以说,在超导的领域,充满发现机会。正因如此,超导竞赛在全世界悄悄地拉开了序幕,各国在超导领域展开激烈的竞争:德国利用高温超导磁体的涡流加热技术,将热加工铝材的电能转化效率提高了30%。日本已计划在2027年开始运行新的新干线,采用的超导磁悬浮列车时速将达到600公里。

  在纯科学上,超导作为当今物理学界最重要的前沿问题之一也吸引了无数科学家的目光。自1911年人类发现超导以来,已颁发5次诺贝尔奖给10位研究超导的科学家。

  然而,令科学家困扰的是,超导体的转变温度有一个极限值,麦克米兰根据获1972年诺贝尔奖的BCS理论计算,认为超导临界温度最高不大可能超过40K,他的计算得到了国际学术界的普遍认同,40K也因此被称作“麦克米兰极限”。寻找到更高临界温度的超导体,一直是全世界物理学家的研究热点。

  1973年,经周总理批示,一批年轻学生和学者被派往国外学习, 赵忠贤借此机会于1974年到英国剑桥大学进修,接触到了世界超导研究最前沿。1975年回国后,赵忠贤于1976年开始“探索高临界温度超导体”,寻找临界温度在40K(约零下233摄氏度)以上的超导体。

  这就意味着他要对国际广泛认同的由经典理论推导出的麦克米兰极限提出挑战。经过调研、交流和缜密思考,1977年,赵忠贤在《物理》上撰文阐述自己的观点,指出结构不稳定性又不产生结构相变可以使临界温度达到40-55K,进而提出复杂结构和新机制在某些情况下甚至可以达到80K。

  实在是太大胆了!因为这与20年前的那场“大跃进”的提法有相似之处,那时氛围特殊,导致相当一段时间的研究是跃进式的,那时提出超导目标是“跃”出超过77K的“液氮温区超导体”,所以时隔20年后当赵忠贤再次提出80K的液氮温区超导体也是可以存在时,人们仍然心有余悸。

  好在赵忠贤作为当时极少数的“归国人才”,还是得到了支持,“探索高临界温度超导体”研究得以在全国组织和推广。他带领团队在世界科学界数十年的“超导竞赛”中不为浮躁所动,不被质疑所困,始终瞄准科学前沿,在坚守中不断创新突破,截至1986年底,他已组织召开了6届研讨会,克服了多种困难,为我国在高温超导研究领域的突破奠定了重要基础。。

  加速:突破麦克米兰极限

  “现在我国超导研究能跻身世界前列,与我们对超导认识的比较早有很大关系”。如今再谈超导,赵忠贤还一直庆幸我国“醒得早”。然而,当年早醒的中国缺乏的却是成熟的条件。“经费和设备是现在条件的百分之一,实验条件落后发达国家三十年,国外当时条件就已经相当于我们现在的条件了。”赵忠贤说。

  打破坛坛罐罐,不计一切撸起袖子干。没有设备,赵忠贤就带领团队自己搭建实验设备,从仓库里领到的原料有的还是五十年代公私合营工厂生产的,尽管条件艰苦到在被窝里打老鼠,但是赵忠贤仍旧乐观地认为,自己的相对劣势没有那么大。“超导材料探索相对于其他科学研究来讲,不需要特别高级复杂的仪器,我愿意充分利用现有的条件去进行一个课题。”

  困难可以克服,先机必须抢占。1986年,欧洲科学家柏德诺兹和缪勒发表了镧-钡-铜-氧体系可能存在35K超导的工作。该文中提到的“杨-泰勒”效应与赵忠贤1977年文章中提到的“结构不稳定性又不产生结构相变会导致高的超导温度”产生共鸣,赵忠贤敏锐地预感到研究铜氧化合物超导体是可行的,马上带领团队在极其简陋的条件下紧锣密鼓地开了张。他找到了熟悉变价系统的陈立泉等合作,利用自己现搭建的反应炉和现改造的测量设备开展研究。虽然当时条件简陋,但在国际竞争最激烈的时刻抓住了先机。

  多少个不眠之夜,反反复复的试验,累了,赵忠贤就在椅子上、桌子上靠一靠,饿了,就煮面条,在最困难的时候,他和团队成员相互鼓励:“别看现在这个样品不超导,新的超导体很可能就诞生在下一个样品中”。终于,1986年底,赵忠贤的团队和国际上少数几个小组几乎同时在镧-钡-铜-氧体系中突破了麦克米兰极限,获得了40K以上的高温超导体。一时间,世界物理学界为之震动,传统理论的崩塌让“北京的赵”多次出现在国际著名的科学刊物上。

  与此同时,赵忠贤团队还发现了70K的超导迹象,这已经离77K液氮温区不远了。遗憾的是,这个迹象由于当时没人能够重复,实验结果受到海外有些学者质疑,甚至有人来信和打电话施压。

  经过反复思考试验,赵忠贤意识到:名义上“同样的体系”只是基本化学配比相同,但实际成分是不同的。由于他们的实验样品用的原料是1956年公私合营的工厂生产的,含有很多杂质,70K迹象的出现可能是杂质发挥了某种作用。

  顶着巨大的压力,赵忠贤并没有要放弃,他开始主动“引入杂质”。 在用锶取代钡没有复现70K迹象之后, 赵忠贤在综合考虑有关想法的基础上建议并坚持的“在Ba基的、多相的体系中,用Y取代La”的方案取得了基本共识并得以实施。赵忠贤清楚地记得,就在1987年2月19日深夜,他们团队在钡-钇-铜-氧中发现了临界温度93K的液氮温区超导体!1987年2月24日中国科学院数理学部举行新闻发布会宣布了这一发现并在世界上首次公布了元素组成。

  他成功了!赵忠贤等的发现使得超导体低温环境的创造由原本昂贵的液氦替代为便宜而好用的液氮。从此在全世界范围刮起了液氮温区超导体的旋风。赵忠贤所在集体因此荣获1989年度国家自然科学奖集体一等奖,他也作为团队代表获得了第三世界科学院物理奖。

  超越:铁基超导再掀高潮

  1987年,世界性的超导竞赛迎来了巅峰时刻,赵忠贤作为五位特邀报告人之一参加了美国物理学会三月会议。1100人的大厅里,挤进了3000多人,被高温超导突破吸引来的物理学家们挤满了整个会场,狂热的场面持续了7个多小时,报告一直继续到早晨3点。

  这场会议后来被称作“物理学界的摇滚音乐节”,赵忠贤代表中国物理学家从此走上了世界高温超导研究的舞台。就连赵忠贤自己也从未想到,在短短几个月里,他从一名物理所普通研究人员,变成了在国际物理学界代表中国的符号。

  面对几千人参加的年会作演讲,赵忠贤向世界展示中国超导研究的重大突破,倍感光荣与骄傲。但回到家,赶上没有蜂窝煤了,他又脱下西装,蹬上板车带着儿子去买煤。赵忠贤说:“我就是生活在那个年代的一个普通人。荣誉归于国家,成绩属于集体,我只是做好自己的本职工作。”

  不管是经历辉煌,还是面对低谷,赵忠贤都能保持一份平和的心态,继续潜心研究,厚积薄发。也是这种对科学的孜孜以求让赵忠贤在20年后再次引领世界热潮,收获了超导研究的第二次的突破。

  2008年,日本科学家细野秀雄团队报道在镧-氧-铁-砷体系中存在26K的超导电性,与赵忠贤“在具有多种相互作用的四方层状结构的系统中会有高温超导电性”的新思路是一致的,他立刻意识到这一类铁砷化合物(后来被称作“铁基超导体”)很可能是新的高温超导体。事实上,赵忠贤在1994年就研究过结构完全相同的稀土-铜-硒-氧体系,但没有用铁。

  赵忠贤提出了高温高压合成结合轻稀土元素替代的方案,带领团队全力以赴。团队里鼓足干劲,有负责高温高压合成的、有负责测量以鉴别超导电性的,还有做常压合成、高压物性研究和单晶生长的。他们用从淘汰的设备中捡回来的设备做实验,一台被大家叫做“土炮”的压机坏了修,修了坏,有限的条件用到了极限。很短的时间,他们首先做出了52K的镤铁砷氧氟超导体,紧接着,51K的钕铁砷氧氟和55K的钐铁砷氧氟超导体也相继做出来了,整个团队非常兴奋,这显著超过了40K的麦克米兰极限。很快他们又合成了绝大多数50K以上的系列铁基超导体、创造了大块铁基超导体55K最高临界温度纪录并保持至今,为确认铁基超导体为第二个高温超导家族提供了重要依据。实现了高温超导研究领域的第二次突破。

  67岁的年纪,赵忠贤三次带领年轻人几乎通宵工作,完成了铁基超导研究最关键的三篇论文。事后得知,其中一篇比国外同行只早了一天发表。

  2014年初,时隔24年,赵忠贤等再次凭借高温超导研究问鼎象征着中国基础研究原始创新能力的国家自然科学一等奖。此前,这一奖项已经连续空缺3年。

  赵忠贤的铁基超导研究得到了国际上的高度评价。美国《科学》杂志三次报道赵忠贤组的工作,并评论说,“中国如洪流般不断涌现的研究结果标志着在凝聚态物理领域,中国已经成为一个强国。”

  个人简介:

  赵忠贤,1941年生。1964年中国科学技术大学毕业后到中科院物理所工作至今。曾担任国防课题组业务负责人和超导国家重点实验室主任。50年来,除参加国防任务的几年外,他一直从事超导研究,是我国高温超导研究的奠基人之一。

  1987 年,赵忠贤及合作者独立发现液氮温区高温超导体,并在国际上首次公布其元素组成为Ba-Y-Cu-O钇钡铜氧。国际上很多实验室验证了中国的工作,推动了国际高温超导研究热潮。赵忠贤因此于1987 年获得第三世界科学院TWAS 物理奖,这是中国科学家首次获此奖项。1989 年因“液氮温区氧化物超导电性的发现”获国家自然科学集体一等奖。

  赵忠贤及其团队(GDLiu)还发现了系列50K以上铁基高温超导体并创造55K纪录。基于长期的坚持和积累,赵忠贤发展了一种新思路:存在多种合作现象的层状四方体系中有可能实现高温超导。基于LaFeAs(O,F)镧铁砷氧氟超导体的压力效应实验研究,赵忠贤提出高温高压结合轻稀土元素替代和高温高压的合成方案,带领团队率先将用Pr镤替代La镧,将临界温度从26K提高到52K,显著超过了40K的麦克米兰极限。他们很快又合成了绝大多数50K以上的系列铁基超导体,创造了大块铁基超导体55K最高临界温度纪录,给出了NdFeAsO钕铁砷氧体系临界温度与晶格常数关系的相图。2013年,因“40K以上铁基高温超导体的发现及若干基本物理性质研究”荣获国家自然科学奖一等奖。2015年,赵忠贤被授予Matthias马蒂亚斯 奖,这是国际超导领域重要奖项。

(责任编辑:何欣)