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[!--downpath--]10月28日，2023騰訊科學WE會議特邀中國科大學教授、中國低溫超導研究奠基人之一趙忠賢，中國科大學教授、基因諾亞方舟掌舵者錢前，雙料諾貝爾獎得主、石墨烯之父安德烈·海姆，諾貝爾數學學獎得主、“起源聯盟”負責人迪迪埃·奎洛茲，沃爾夫物理獎得主、網狀物理之父奧馬爾·亞基，國際知名抗衰老遺傳學家、三院教授琳達·帕特里奇，東莞學院上海生物醫學工程大學院長蔣樂倫，帶來全球基礎科學前沿突破。
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仰觀宇宙之大，俯察品類之盛。我們到底生活在一個如何的世界？是哪些打造了這個世界？
早在公元前6世紀的古埃及時期，哲學家泰勒斯記錄了世界上的兩個神奇現象：一是磨擦后的琥珀吸引輕小物體；二是磁石可以吸鐵。千年來，一代又一代對大自然感興趣的人們接續探求電磁現象，人類文明的進程加速前進，現在，人類再也離不開“電”與“磁”了。
神奇的現象催生科學思索，科學研究迸發探求未知。化學學家在研究材料在高溫下的導電行為中，發覺了神奇的超導現象，它具備絕對零內阻和完全抗磁性的兩大神奇特性，將可能改變整個世界，例如能源、通信、健康、交通等方方面面。
去年以來，“室溫超導”頻繁登上熱搜，從一個專業科學話題變為全民關注的公眾話題。從超導、高溫超導，再到未來的溫度超導，超導科學走過極為不平凡的公路。此次，騰訊科學WE會議約請到中國科大學教授、國家最高科學技術獎得主趙忠賢，為我們分享超導科學的發展歷程與相關應用。
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超導新發覺
20世紀初，數學學正處在從精典數學學向現代數學學，非常是向量子力學過渡的時期，一個忽然的發覺轟動了整個數學學界。
1911年，波蘭化學學家海克·卡末林·昂內斯繼1908年實現氫氣液化——他成為世界上第一個把握4K以下高溫技術的科學家以后，在研究高溫下的汞的內阻行為時發覺：在室溫增加到4.2K（﹣269℃）時，汞忽然步入一種新狀態，即內阻為零。這一現象在1913年被即將確認，被叫做“超導電性”。
高溫技術對于超導發覺是轉折性的改變，在許多化學學家疏于找尋更多具有“超導電性”的超導材料時，美國化學學家瓦爾特·邁斯納在美國構建了世界第三大氫氣液化氣，并跨入超導研究行列。22年后的1933年，邁斯納和他的中學生羅伯特·奧克森菲爾德有了新發覺，她們在對金屬圓球做磁場分布檢測時發覺，一個理想的超導體，它內部的磁感應硬度等于零。
邁斯納效應
完全抗磁性成為超導體的又一個特點，被叫做“邁斯納效應”。科學家定義：同時具有零內阻效應和完全抗磁性兩個獨立化學性質的材料，才可以稱為超導體。
這幾乎改變了數學學研究的邁向，自隨后百余年，超導數學基礎不斷筑牢、超導家族成員不斷擴大。超導科學研究也大致分為兩支：一支是闡明背后機理，解決超導特點的關鍵科學問題；一支是發覺新的超導材料并探求應用。
一項重大的科學取得突破，燃起了科學家們的熱情和期盼，一代又一代頂級科學家的加入將超導科學推向高潮。
1957年，超導微觀理論誕生了。49歲的日本化學學家約翰·巴丁帶著27歲的利昂·庫珀和26歲的羅伯特·施里弗提出了超導機制的BCS理論（該理論以、、首字母簡寫而命名），這完全從理論上解釋了金屬超導材料中觀察到的各類現象，例如零內阻、比熱容躍變等奇特性質。現在，BCS理論被公覺得是量子場論理論進展的一個里程碑，它除了清晰地描述了超導的微觀化學圖象，其概念也被運用于數學學的其他領域。
BCS理論不斷豐富，成為了超導領域最重要的支撐理論。
但是，風潮很快散去，迷惘和疑惑困惑著科學家們，超導臨界氣溫無法提高，仍然須要高昂的液氦高溫維持，大規模應用無從談起，理論框架一直未能突破……許多人熱情不再，漸次謝幕。
直至20世紀七八十年代，低溫超導的發覺給超導研究帶去了希望和信心。這一次，“中國超導隊”登場，作為最重要的貢獻者之一，她們在狹小的實驗室里、自造的電爐里創造了記錄、改寫了歷史。
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中國邁向舞臺
趙忠賢是在全球超導研究“低谷期”時步入這一領域的。1973年，趙忠賢被派往美國劍橋學院進修，并接觸到了世界超導研究最前沿。那時，超導氣溫記錄仍然突破不了40K（約-233.15℃），一直被限定在“麥克巴黎極限”中。
所謂麥克巴黎極限，是科學家麥克巴黎按照BCS理論估算結合實驗數據推算，覺得常壓下金屬及合金超導臨界氣溫最高不可能超過40K，因而40K便被叫做超導體臨界體溫的“麥克巴黎極限”。
30多歲被“超導”吸引的趙忠賢卻深信能找到更高臨界體溫的超導體。1975年末回到中國科大學數學研究所以后，趙忠賢竭力投入了低溫超導體的研究中，核心目標就是找尋高臨界體溫的超導材料。
一個初出茅廬的年青人，挑戰科學界幾乎所公認的“定論”，這太大膽了！莫非不是天方夜譚嗎？指責聲紛至沓來。
1977年，趙忠賢在《物理》雜志上發表文章，剖析了麥克巴黎理論中的片面性，低溫超導體就可能存在于結構復雜的化合物當中。
“如果只限于幾種簡單的結構去探求，因為月球上的元素就這么多種，路子就走不寬，所以一定要著手于復雜的結構。”趙忠賢說。
雖然是有限的簡單元素，也可以排列組合出不計其數的復雜化合物，在無望的希望中找尋可能，趙忠賢帶著團隊闊別了六年，不斷找尋超導材料。累了，她們就在桌子椅子上靠一靠，餓了，就煮碗炒面。那時的科研條件明天難以想像，趙忠賢追憶，經費和設備是現今的1%，實驗條件更是落后發達國家30年。
“別看如今這個樣品不超導，新的超導體很可能就誕生在下一個樣品中。”在最困難的時侯，團隊成員們相互鼓勵著。
假如科學家看得更遠一點，那一定離不開站在巨人的右臂上。在這期間，1986年來自法國IBM公司的科學家柏諾茲和繆勒在銅氧化物陶瓷材料鋇-鑭-銅-氧體系里發覺了臨界氣溫在35K（約-238.15℃）左右的低溫超導零內阻征兆和抗磁性結果。
當初的三天，趙忠賢像往常一樣到數學所圖書館查資料，讀到了柏諾茲和繆勒的論文近代物理實驗論文，論文中提及的楊-泰勒效應可能導致低溫超導現象，與他當初提及的結構不穩定可能形成低溫超導思想不謀而合。
趙忠賢和團隊立刻開始重復試驗。當時的實驗設備非常狹小，烤制氧化物樣品的電爐是自己繞制搭建的，檢測內阻和磁化率的設備也是在液氦杜瓦的基礎上擴建的。她們很快率先重復了柏諾茲和繆勒的工作，發覺了銅氧化物材料超導臨界氣溫仍有提高的可能性。
短短幾個月時間里，中、日、美三國科學家鏖戰在實驗室，找尋到液氮溫區的低溫超導材料——臨界氣溫超77K（約-196℃）的超導材料。經過反復實驗，激奮人心的時刻出現在1987年2月19日凌晨，趙忠賢和團隊決定再燒一次樣品，把垃圾筐里打算丟棄的“可能的壞樣品”也翻下來，X-Y記錄儀上出現了“久違”的理想訊號——93K（約-180℃）左右的超導電性。
在此期間，德國多倫多學院院長朱經武、日本東京學院團隊幾乎同時獨立在銅氧化合物作出90K以上的超導電性。臨界氣溫從35K到90K以上，意味著低溫超導體可能是普遍存在的，迸發了科學家沖擊溫度超導的決心和信心，超導的大規模應用也顯得不這么遙不可及。這一類超導體被稱為“銅基超導體”。
1987年3月，全球化學學界最大的學術大會——美國十月大會，特地專門籌建“高臨界氣溫超導體研討會”，3000多名世界各地的化學學家塞滿了1100人容量的報告廳，趙忠賢受邀在會議作特邀報告，代表中國超導團隊在國際學術界掙得屬于中國的一份榮譽。回到上海后，趙忠賢發覺家里的煤球燒完了，馬上騎上四輪車拉煤去了，認真完成他在家里的“必要性”工作。
也是在那一年，柏諾茲和繆勒獲得了諾貝爾化學學獎。柏諾茲說：“趙院長及其朋友們的研究成果是舉世矚目的，謝謝她們為世界科技的發展和超導研究做出重要貢獻。”
趙忠賢在工作中
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中國成為舞臺主角
“北京的趙”不僅多次出現在國際大會和刊物上，也成為了不少青年中學生追逐的“偶像”。1987年，中國科大學數學研究所超導國家實驗室（現超導國家重點實驗室）組建。以實驗室為核心近代物理實驗論文，幅射全省，一大批青年中學生和年青人自此加入了低溫超導研究。
國際上，銅氧化物低溫超導材料、技術、性能等得到了爆發式的飛越發展。但是，實驗結果錯綜復雜，理論解釋眾說紛紜，低溫超導機理仍是迷霧重重，BCS理論其實也頗具局限。
超導電性由誰控制？庫伯對能隙怎樣產生？哪些影響了超導態的產生？等一系列問題還須要經過嚴格的實驗和理論審視。在熱浪漸漸散去的過程中，有的團隊解散了，有人干脆退出超導領域。
“當時似乎碰到了困局，但我深信，低溫超導研究有潛力，未來必定有重大突破。”趙忠賢在“冷板凳”上一坐又是20年。
2008年2月，英國東京工業學院院長細野秀雄發表論文，宣布發覺一類新型超導材料鑭-氧-鐵-砷-氟體系，在臨界氣溫26K時形成了超導電性，這一類鐵砷化合物后來被叫做“鐵基超導體”。
趙忠賢提出了低溫高壓合成結合輕稀土元素取代的方案，率領團隊用淘換來的設備做實驗，一臺被你們稱作“土炮”的壓機壞了修、修了壞，當時67歲的趙忠賢率領年青人幾乎熬夜工作。
很短的時間，她們先后作出了52K的鐠-鐵-砷-氧-氟超導體、51K的釹-鐵-砷-氧-氟和55K的釤-鐵-砷-氧-氟超導體。很快她們又合成了絕大多數50K以上的系列鐵基超導體、創造了大塊鐵基超導體55K（-218.15℃）最高臨界氣溫紀錄并保持至今。
2008年從3月到4月，在中國院校和研究所的實驗室里，一群年青的科學家們奮勇合成并研究新的超導體，鐵基超導體材料不斷成功，以天的頻度刷新著臨界體溫。
日本《科學》雜志評論說，“中國如洪流般不斷涌現的研究結果，標志著在匯聚態化學領域中國早已成為強國”。
為何中國學者在短時間內成為低溫超導領域的領導者之一？
在科學家們看來，在低溫超導領域，中國學者常年坐得“冷板凳”，早已培養了一批不怕吃苦、有經驗和勇于突破的年青團隊。良好的科學氣氛也是促進中國低溫超導機制邁向世界前列的重要誘因之一，在中國科大學數學研究所的辦公室、樓道內、食堂里、球場上，隨時隨地都有人在討論著數學問題。
有科學家透漏，當初在一次工會活動時，中國科大學數學研究所研究員王楠林提到在細野秀雄的論文里鑭-氧-鐵-砷材料的阻值存在一個拐折點，但并沒有哪些物理解釋。同為中國科大學數學研究所研究員方忠從事理論研究，他立即強調了可能是密度波有序態引起的。兩人一拍即合，充分結合實驗數據和理論估算,很快就發覺這類材料具有多套費米面，由于鐵原子的特殊性，極有可能存在載流子密度波序，也就是磁有序態的一種。
這一理論很快也被國際其它研究組否認。
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超導邁向千家萬戶
為何科學家們執著地找尋不同的超導體材料？為何超導體的臨界氣溫被“刷新”得一高再高？甚至，超導科學家們有一個終極夢想，那就是發覺溫度超導（氣溫在300K，也即27℃左右）！
緣由，就在于它的需求與應用前景無限寬廣。
◆能源環境領域：超導電纜可實現無耗損輸電，超導極低頻感應加熱將傳統的交流感應加熱效率從40%提高到80%，極大增加了金屬加工煉鐵的能量耗損，為實現節能降耗貢獻力量。目前已有大城市實用化案例，為現代電網節省煤耗，推動碳中和。“人造小太陽”磁約束可控核聚變的實現必須依賴于小型超導磁極，是未來能源問題的解決方案之一。
◆醫療健康領域：超導核磁共振成像是健康醫療的重要工具，目前正在攻破的14T核磁共振將達到20微米左右幀率。目前我國功能磁共振成像技術人均保有量是西方國家10年前的水平。未來，無液氦的核磁共振成像系統將普及所有市級/鎮級診所，惠及我國14億人口。基于超導量子干涉儀和超低場核磁共振等技術的心磁圖和腦磁圖偵測，以及基于超導加速磁極的緊湊型重離子加速器，將為醫療確診和醫治提供新的解決方案。
◆通信領域：超導的量子隧穿效應非常敏感，且與材料性質和環境狀態無關，約瑟夫森隧洞電流早已成為電流基準，在日常生活中已默默發揮了“基石”作用。超導混頻器為實現高保真的無線電通信提供了保障，超導單光子偵測器是實現遠距離量子通信的“秘密裝備”。
據悉，超導技術在天文、儲能、量子估算等領域也有著廣泛的應用。
“我國的超導研究多次入選國外外獎項，從基礎研究到應用研究早已產生完整鏈條，規模化產業應用亟需發展，有望開辟技術前沿新賽道。”如今，82歲的趙忠賢密切關注著研究和產業動態，促進中國超導走向新的輝煌。
作者檔案
韓揚眉｜《中國科學報》記者
（本文謝謝中國科大學化學所研究員羅會仟的支持）
10月28日，騰訊科學WE會議上，趙忠賢教授及數位全球頂級科學家將為你們分享前沿科學突破。