作者丨任芳言 陳歡歡
1987年2月20日凌晨，製備出起始轉變溫度92.8k的釔鋇銅氧超導樣品後，物理所13位研究者的合影。物理所供圖
1987年2月20日凌晨，一張合照在中國科學院物理研究所（以下簡稱物理所）誕生。照片裡的13位研究者眉頭舒展，他們剛剛書寫了中國超導研究的新歷史：製備出起始轉變溫度92.8開爾文（K，約合-173.15攝氏度）的釔鋇銅氧超導樣品。
合影中，46歲的趙忠賢坐在第一排最右側，1989年，他作為第一完成人，與研究集體共獲國家自然科學獎一等獎。這是中國學者在超導領域首次取得重大突破，由此掀起了全球的高溫超導熱。
之後20餘年，熱度漸散，有人轉行、離開，而以趙忠賢為代表的一批人仍在默默堅守。
2013年，連續空缺3年的國家自然科學獎一等獎花落物理所和中國科學技術大學（以下簡稱中國科大）。趙忠賢又一次作為第一完成人，與中國科大教授陳仙輝等人憑藉在鐵基高溫超導領域的卓越貢獻獲獎。
高溫超導自出現以來，不斷顛覆人們的固有認知，舊理論已無法解釋新現象。恰恰在這無理可循的幾十年，中國學者抓住機會，將板凳坐熱，掀起又一輪高潮。
紮根：判斷力+勇氣
超導是指某些材料在降到一定溫度時，電阻消失為零的現象。既有重大的應用前景，又是迷人的科學問題。
1986年，瑞士科學家貝德諾茲和繆勒首次在鑭鋇銅氧化合物中觀測到超導電性，臨界溫度高達35K——在此之前，人們普遍認為超導體一定來自常規金屬和合金，且臨界溫度不會超過40K，即存在“麥克米蘭極限”。而繆勒等人用到的材料是金屬氧化物。“此類材料多半是絕緣體，這與超導似乎格格不入。”2013年國家自然科學獎一等獎共同完成人、南京大學物理學院教授聞海虎告訴《中國科學報》。
這一發現引起了趙忠賢的共鳴。其實早在上世紀70年代，他就曾大膽設想：更復雜的結構材料可能催生出更高臨界溫度的超導體。
看罷論文，趙忠賢立刻找來自己在中國科大的同學陳立泉、黃玉珍夫婦，幾個人分頭做測試和樣品製備。1986年12月，陳立泉在黃玉珍合成的樣品中觀察到臨界溫度70K的超導現象，但實驗結果沒能重複。這期間，美國、日本的學者相繼發現了更高臨界溫度的新型超導體，研究小組頓時壓力倍增。
1987年春節，趙忠賢和同事堅持工作，從原材料、實驗方案、製備方法等方面找原因，最終發現樣品的氧含量差異是決定超導與否的關鍵。歷經數十個小時不眠不休，他們終於迎來了文章開頭那一幕。當天凌晨，趙忠賢等人合影完又接著製備樣品，直到測出三批樣品全部超導，且臨界溫度都在液氮溫區，才鬆了口氣。
“瑞士的兩位科學家是打開窗戶的人，我們進去以後，把它做到液氮溫區。”趙忠賢回憶。受制於轉變溫度，以往超導研究不得不使用昂貴的液氦，更低成本的液氮讓後人看到了更多曙光。
1987年2月24日，中國科學院數理學部召開發佈會，正式公佈趙忠賢等人制備超導樣品的元素組成：釔鋇銅氧。次日，他們的成果登上《人民日報》。
同年3月，美國物理學會年會臨時增加高溫超導專門會議，千餘人的會議室擠得滿滿當當，趙忠賢作為最重磅的發言人之一，作了整整20分鐘報告。會議從晚上7點多一直持續到第二天凌晨。
高溫超導研究迎來世界範圍的熱潮。儘管當時中國的研究條件比國外差得多，但仍作出關鍵貢獻。
“趙老師他們敢於在氧化物中尋找新型超導體，說明有獨特和敏銳的判斷力，也需要勇氣。”聞海虎說，“我想這就是從0到1的發現。”
積累：興趣很重要
1987年前後，國內超導研究熱度達到頂峰。“只要你有爐子，很容易就燒出樣品來。”超導國家重點實驗室主任周興江回憶，那時國內高校幾乎全部上陣，還在讀大四的他隔幾天就能在報紙上看到相關進展，許多年輕人的研究道路就此改變。
此時的趙忠賢做出了一個決定，他和陳立泉聯名向國務院建議成立國家超導實驗室（現超導國家重點實驗室）並獲得批准，趙忠賢任首屆實驗室主任。
1991年，物理所超導國家重點實驗室通過驗收；次年，中國科大超導研究所成立。但由於銅基超導材料延展性與柔韌性受限，加之機理研究未有突破，應用前景不明朗，研究熱度逐漸散去，不少學者紛紛轉行。
不過，高溫超導的機理研究、新材料探索從未停止。趙忠賢常和後輩強調，這是凝聚態物理最核心最前沿的問題，而且“興趣很重要，你有癮了，會非常願意做它”。
2002年起，國內舉辦了數屆國際高溫超導前沿論壇，新一代研究人才在交流中集結，周興江、丁洪、陳根富等人相繼回國，加盟物理所開展超導相關研究。
2008年，顛覆信號再次出現，中國科學家的機會來了。2月18日，日本東京工業大學細野秀雄等人報告發現26K鐵基超導體。此前，人們認為實現超導的要件之一是完全抗磁，鐵因自帶磁性而被認為是超導研究的禁區。
得知消息時，陳仙輝正在外開會，他深知臨界溫度若不超過39K，意義不大。當天深夜他趕回學校，立刻組織學生討論、實驗。3月25日，經反覆驗證，陳仙輝小組獲得了常壓下臨界溫度43K的鐵基超導體，首次在國際上突破“麥克米蘭極限”。
3天后，趙忠賢和物理所研究員任治安等人報告了氟摻雜鐠氧鐵砷化合物的臨界溫度為52K；4月，他們又發現壓力環境下氟摻雜釤氧鐵砷化合物臨界溫度可升至55K。
先前的積澱不止於此。物理所研究員王楠林與陳根富等人在一週內迅速製備出摻雜樣品、實現超導並完成基本性質測量。他們與同事方忠合作，最先提出鐵基超導母體有自旋密度波不穩定性，隨後通過中子散射實驗證實。
2008年底，鐵基超導研究分別入選美國《科學》、美國物理學會和歐洲物理學會評選的年度重大進展，全球燃起新一輪“超導熱”。
為這一天，中國科學家在這條路上走了21年。
“從0到1的創新就像蓋樓，如果地基不打、前面10層樓不蓋，直接蓋第11層是不可能的。”周興江感慨道。
昇華：理論+實踐
每次被問到成功經驗，趙忠賢總愛說“運氣好”。陳仙輝也說：“我很幸運，遇上了超導研究的兩次熱潮。”
但在一條路上堅持幾十年，絕非僅憑運氣。
2008年，26K鐵基超導被日本科學家發現後，趙忠賢曾反省：“這個材料的結構和正常態的物理特點與我們長期以來的研究思路完全一致，但是由於我一直認為鐵會對超導不利，所以錯過了首次發現的機會。”他將這次機會的錯失歸結為沒能解放思想。
無獨有偶，在鐵基超導研究初期，陳仙輝實驗室早就注意到鋇鐵砷母體，但在摻鉀時，燒結溫度過高使鉀跟石英管反應沒有摻入樣品而未實現超導，最後鉀摻雜的鋇鐵砷超導體被德國科學家發現。這次經歷深刻地提醒他：“科學發現只有第一，沒有第二。”
“感覺只解決現象問題，理論才解決本質問題。而這些問題的解決，一點也不能離開實踐。”趙忠賢曾在論文中如此寫道。
“科研需要理論和實驗的基礎，不然真正的新現象擺在面前時，也沒有準確的認知能力。”聞海虎強調，原始創新成果需要腳踏實地、深耕細作。“成果是在實踐中偶然或突然發現的，憑空想象是很難出現的。”
如果說1987年的成果是一小部分人在簡陋條件下苦苦求索得來的，那麼2008年前後的第二波熱潮則是一群人兵分多路、多點開花。
超導國家重點實驗室見證了這兩次熱潮。實驗室主任的接力棒也從趙忠賢手中一棒棒傳到聞海虎、周興江的手上。
“中國現在很多物理機理研究跟國外平齊了。”周興江還記得，2000年左右聽海外學者說起光電子能譜，內心“非常憧憬”，而2008年後，國外回來的人卻說“如果不參加國內的論壇，就不知道超導方面的最新進展”。
給年輕人作報告時，趙忠賢曾說：“堅持做某一事情，有一個在長期積累基礎上產生的認識上的昇華。這個昇華可以意會不能言傳。”
《中國科學報》 (2020-04-03 第1版 要聞)
閱讀更多 中國科學報 的文章
