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荣获国家最高科技奖:赵忠贤与他的高温超导

2017-1-10 09:19

  1月9日上午,国家科学技术奖励大会在京召开,中国科学院物理研究所赵忠贤院士荣获2016年度国家最高科学技术奖,中共中央总书记、国家主席、中央军委主席习近平向赵忠贤院士颁奖。

  赵忠贤是我国高温超导研究主要的倡导者、推动者和践行者,为高温超导研究在中国扎根并跻身国际前列做出了重要贡献,是我国高温超导研究的奠基人之一,也是新中国培养的科学家的杰出代表之一。

  神奇的超导

  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。

  也许大家并不知道,超导就在我们的身边:现在医院里用的1.5T和3T的核磁共振成像仪的核心部件是1.5特斯拉(磁感应强度的度量单位)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……

  超导更有着光明的应用前景。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%。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。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500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。

  其实自1911年以来,超导研究中最重要的两个问题一直是:怎样找到临界温度更高、更适于应用的超导体?超导体为什么会超导?无数优秀的科学家为此前赴后继,赵忠贤就是其中平凡又杰出的一位。

  年轻的科学梦

  高中时代,赵忠贤被国家提出的“向科学进军”的号召深深地影响着。他从一本苏联杂志中了解到了很多“老大哥”的新进展,如卫星、火箭、半导体等等。这让赵忠贤对科学产生了浓厚的兴趣,也有了让中国成为一个科技强国的渴望。

  高中毕业时,赵忠贤最初想报考地质专业,为祖国寻找矿产资源,但体检时被误诊为平足,没有资格报考。想考哈军工,因被指反对卫生大跃进而失去报名的机会。在向副校长(兼任班主任)申述政治表现时,偶然被一份招生简章所吸引,在个别同学的“激励”下,决定报考地处北京的中国科学技术大学,而且第一和第二志愿都是该校。

  1959年大学入学留念(北京玉泉路中国科技大学礼堂前)

  1959年,赵忠贤被中国科学技术大学技术物理系录取,1964年大学毕业并被分配到中国科学院物理研究所。他满怀着对祖国科学未来的美好憧憬一干就是五十多年。

  有胆识的年轻人

  赵忠贤很快在物理所崭露头角,并成为所里重点培养的青年人才。

  物理所是新中国超导研究的发源地,赵忠贤被分配在室主任洪朝生先生兼任组长的研究组从事超导研究。文革开始以后,超导研究受到很大影响,大部分基础研究被迫停止,年轻的赵忠贤作为业务负责人,参加并完成了几项国防任务。

  1973年,经周总理批示,一批年轻学生和学者被派往国外学习, 赵忠贤被从干校召回,1974年到英国剑桥大学进修,接触到了世界超导研究最前沿。75年回国后,赵忠贤提出要“探索高临界温度超导体”(简称“高温超导体”)。

  1975年春节于剑桥大学

  所谓“高温超导体”,是指临界温度在40K(约零下233摄氏度)以上的超导体。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”。

  经过调研、交流和缜密思考,赵忠贤支持少数理论家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的挑战。1977年,他在《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。

  当时别人都认为赵忠贤实在是太大胆了。物理研究中的低温,通常是用液氦和液氮来实现的。液氮最低只能实现77K,所以对临界温度低于40K的超导体,只能用贵数十倍的液氦进行研究。1958年“大跃进”时期,中国没有液氦,也就没法研究超导。受当时氛围的影响,相当一段时间的研究是跃进式的,目标是“跃进”出超过77K的“液氮温区超导体”,结果可想而知。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,大家都还心有余悸。

  但赵忠贤作为当时极少数的“归国人才”还是得到了支持,开始在全国组织和推广“探索高临界温度超导体”研究。截至1986年底,他已组织召开了6届研讨会。虽然条件艰苦到在被窝里打老鼠,但他身边也逐渐有了一批志同道合的同事。

  厚积薄发,一鸣惊人

  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。

  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。当时国际上有的超导研究者在关注另一篇论文(该文事后被证明为谬误),而赵忠贤和其他少数几个学者对柏德诺兹和缪勒的论文产生了兴趣。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,促使他立刻组织团队,在那个年代科研条件相对简陋的情况下开始研究铜氧化合物超导体。

  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,世界物理学界可以说是地动山摇,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。

  就在这次突破中,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,国外的研究组在同样的体系中没有看到70K的迹象。

  由于当时没人能够重复70K迹象,海外有学者质疑中国的结果,来信和打电话施压。赵忠贤他们却意识到: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—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。这启发他们注意到也可能是杂质发挥了某种作用,从而导致70K迹象的出现。他们于是开始主动“引入杂质”。 在用锶取代钡没有复现70K迹象之后,确定了“在钡基、多相的体系中、用钇取代镧”的方案并得以实施,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。25日的《人民日报》报道了这一消息,世界各大通讯社纷纷转载,在世界上刮起了一阵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。

  1987年与关于YBCO高温超导电性论文的全体作者在在物理所A楼实验室前合影

  赵忠贤等人的成果受到了国际学术界的关注。93K超导体的发现使柏德诺兹和缪勒“铜氧化合物可能存在35K超导性”一文的重要意义凸显出来,获得1987年诺贝尔物理学奖。为此,授奖公报中还提到了中国的工作。柏德诺兹指出:“赵教授及其同事们的研究成果是举世瞩目的,感谢他们为世界科技的发展和超导研究做出了重要贡献。”

  1987年9月人民大会堂,第三世界科学院Salam院长授TWAS奖

  赵忠贤等人的工作大大提升了中国物理学界的国际地位。1987年,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。中国科学家在国际上有这样的待遇,在当时是极其罕见的。那次会议后来被称作“物理学界的摇滚音乐节”—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。1987年的三月会议,标志着中国物理学家走上了世界高温超导研究的舞台。

  1987年代表小组作为五个特约报告人之一在美国物理学会三月会议上作报告

  再创佳绩

  在1987年的辉煌之后,赵忠贤潜心研究20年,终于带领中国团队再次引领世界热潮。

  1988年在办公室

  在87年取得成绩之后,虽然获得许多奖励和荣誉,但赵忠贤没有被冲昏头脑。他一直对所里的同事讲:我就是一个普通人,我做的就是自己的本职工作。荣誉归于国家,成绩属于集体,我个人只是其中的一份子。他兢兢业业,一门心思继续他的高温超导研究。

  1992年前后在实验室工作中

  也是在这段时间里,这个“普通人”踏踏实实地进一步凝练学术思想,他逐渐发展出的新的学术思路又一次成了第二次突破的基础。在此期间他还推动了超导学科的发展,并培养了一批人才。赵忠贤和陈立泉联名,向国务院建议成立国家超导实验室(现超导国家重点实验室)并获得批准,赵忠贤担任了首届实验室主任。目前,超导国家重点实验室已经成为了国际上实力领先的超导研究基地,培养了一大批优秀的超导研究人才。

  转眼间,20年过去了。2008年,日本科学家Hosono报道在镧-氧-铁-砷体系中存在26K的超导,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,带领团队很快将铁基超导体的临界温度提高到50K以上,创造了55K的纪录并保持至今,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。在这期间,他以67岁的年纪三次带领年轻人几乎通宵工作,完成了初期最关键的三篇论文。事后得知,其中一篇比国外同行只早了一天发表。

  赵忠贤的铁基超导研究得到了国内外的高度评价。美国《科学》杂志三次报道赵忠贤组的工作,其中在题为“新超导体将中国物理学家推向最前沿”的一篇文章中对于赵忠贤小组的贡献予以充分的肯定。赵忠贤小组的成果作为“40K以上铁基高温超导体的发现及若干基本物理性质研究”的重要部分,获荣2013年度国家自然科学一等奖。

  50多年前,当那个年轻的赵忠贤孤身一人背起行囊来到北京的时候,中国的超导研究还刚刚起步,高温超导更是天方夜谭。今天,这位古稀之年的赵忠贤身边已经凝聚出了一支世界领先的中国高温超导研究队伍,中国的高温超导研究已经走在了世界的前列。

  几十年来,在我国高温超导研究从追赶到引领世界的历史进程中,赵忠贤是主要的倡导者、推动者和践行者。他有无私奉献的精神和国际领先的成果,是新中国培养的科学家的杰出代表。为高温超导研究扎根中国并处于国际前列做出了重要贡献。

  今天,象征着中国科技领域最高荣誉的国家最高科学技术奖授予赵忠贤,不仅仅是表彰他本人的杰出贡献,更是期待着受他影响的几代青年科学家能够在前人的基础上更进一步,在未来第三次高温超导突破中做出新的成就,为祖国科技发展事业贡献力量。