鐵基高溫超導獲國家自然科學獎 彌補三年空缺

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2014年1月10日，國家科技獎勵大會在人民大會堂隆重召開。中共中央總書記、國家主席、中央軍委主席習近平,中共中央政治局常委、國務院總理李克強等出席大會并為獲獎科學家頒獎。

以趙忠賢、陳仙輝、王楠林、聞海虎、方忠為代表的中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)國家實驗室(籌)(以下簡稱“物理所”)和中國科學技術大學(以下簡稱“中國科大”)研究團隊因為在“40K以上鐵基高溫超導體的發(fā)現(xiàn)及若干基本物理性質研究”方面的突出貢獻獲得了國家自然科學一等獎。之前，這一獎項已經(jīng)連續(xù)3年空缺。

這也是繼物理所在1989年“液氮溫區(qū)氧化物超導體的發(fā)現(xiàn)及研究”獲得國家自然科學一等獎以來，又一項高溫超導研究領域的國際一流成果。

物理學中的璀璨明珠，未來應用的希望之星

超導，全稱超導電性，是20世紀最偉大的科學發(fā)現(xiàn)之一，指的是某些材料在溫度降低到某一臨界溫度，或超導轉變溫度以下時，電阻突然消失的現(xiàn)象。具備這種特性的材料稱為超導體。

在超導研究的歷史上，已經(jīng)有10人獲得了5次諾貝爾獎，其科學重要性不言而喻。目前，超導的機理以及全新超導體的探索是物理學界最重要的前沿問題之一。它仿佛是鑲嵌在山巔的一顆璀璨明珠，吸引著全世界無數(shù)的物理學家甘愿為之攀登終生。同時，超導在科學研究、信息通訊、工業(yè)加工、能源存儲、交通運輸、生物醫(yī)學乃至航空航天等領域均有重大的應用前景，受到人們的廣泛關注。

也許大多數(shù)人還沒有察覺到，其實超導已經(jīng)或多或少地走進了人們的生活。近年來，國內外相繼研制成功了多種超導材料和超導應用器件，超導正在為人類的工作、學習和生活提供著便利。如高溫超導濾波器已被應用于手機和衛(wèi)星通訊，明顯改善了通信信號和能量損耗;世界上各醫(yī)院使用的磁共振成像儀器(MRI)中的磁體基本上都是由超導材料制成的;使用的超導量子干涉器件(SQUID)裝備在醫(yī)療設備上使用，大大加強了對人體心腦探測檢查的精確度和靈敏度;世界上首個示范性超導變電站也已在我國投入電網(wǎng)使用，它具備體積小、效率高、無污染等優(yōu)點，是未來變電站發(fā)展的趨勢。

這些超導應用，在1911年荷蘭物理學家Onnes發(fā)現(xiàn)超導的時候，人類絕對沒有預測到它今天的應用。超導在未來可能給人類生活帶來多大的變化，也將大大超乎我們今天的預期。若能發(fā)現(xiàn)室溫超導體，人類生存所面臨的能源、環(huán)境、交通等問題將迎刃而解。

中國成果震動學術界

物理學家麥克米蘭根據(jù)傳統(tǒng)理論計算斷定，超導體的轉變溫度一般不能超過40K(約零下233攝氏度)，這個溫度也被稱為麥克米蘭極限溫度。

是否人類對超導的應用確實只能被限制在40K以下，還是麥克米蘭使用的傳統(tǒng)理論本身存在缺陷?40K麥克米蘭極限溫度是否可能被突破?為了探索這個問題，世界各地的科學家們做了無數(shù)次嘗試。1986年，兩名歐洲科學家發(fā)現(xiàn)以銅為關鍵超導元素的銅氧化物超導體，轉變溫度高于40K，因而被稱作為高溫超導體。2007年10月以來，王楠林、陳根富研究組就嘗試生長LaOFeP和LaOFeAs單晶樣品，并計劃開展其他稀土替代物CeOFeAs等材料的合成。2008年2月下旬，日本化學家細野(Hosono)報道在四方層狀的鐵砷化合物：摻F的LaOFeAs中存在轉變溫度為26K的超導電性。之后，中國的鐵基超導研究工作像井噴一樣。中國科學家首先發(fā)現(xiàn)了轉變溫度40K以上的鐵基超導體，接著又發(fā)現(xiàn)了系列的50K以上的鐵基超導體。與銅氧化物高溫超導體不同，初步的研究表明，鐵基超導體在工業(yè)上更加容易制造，同時還能夠承受更大的電流，這為應用奠定了基礎。但與此同時，鐵基超導體性質極為復雜，對科研人員的理論功底和實驗技能都提出了更高的要求。

為了徹底揭開高溫超導的原理，探索和尋找到臨界溫度更高、更能廣泛應用于實際生產生活、惠及千家萬戶的超導體，物理所和中科大的科學家們在鐵基高溫超導研究中引領了國際研究的熱潮。國際知名科學刊物Science刊發(fā)了“新超導體將中國物理學家推到最前沿”的專題評述，其中這樣評價道：“中國如洪流般涌現(xiàn)的研究結果標志著，在凝聚態(tài)物理領域，中國已經(jīng)成為一個強國”。同時鐵基超導體工作研究被評為美國Science雜志“2008年度十大科學突破”、美國物理學會“2008年度物理學重大事件”及歐洲物理學會 “2008年度最佳”。

2013年2月，中國科學院國家科學圖書館統(tǒng)計顯示，世界范圍內鐵基超導研究領域被引用數(shù)排名前20的論文中，9篇來自中國，其中7篇來自該研究團隊。這一切都表明，該團隊在鐵基超導方面的研究，毫無疑問已經(jīng)走在了世界的最前沿。

高溫超導的研究基地

物理所對高溫超導的探索和研究歷史可以追溯到上世紀70年代。1986年，銅氧化物高溫超導體被發(fā)現(xiàn)。1987年物理所研究組獨立地發(fā)現(xiàn)了起始轉變溫度在100K以上的Y-Ba-Cu-O新型超導體。在此之前，世界上一切超導研究都必須采用昂貴并難以使用的液氦來使超導體達到轉變溫度，這對超導研究形成了巨大的障礙。物理所的這項成果把使用便宜而好用的液氮來達到超導轉變溫度變?yōu)楝F(xiàn)實，為超導研究開辟了一片嶄新的天地，大大方便和加速了全世界的高溫超導研究，并榮獲1989年國家自然科學一等獎。同年，經(jīng)國家計委批準，物理所成立了超導國家重點實驗室。 以“液氮溫區(qū)氧化物超導體的發(fā)現(xiàn)及研究”為代表，物理所作為中國最重要的高溫超導研究基地，在銅氧化物高溫超導體的研究中做出了一系列重要的研究成果，為人類理解和應用超導體做出了中國人應有的貢獻。

中科大從上個世紀80年代以來，也一直在高溫銅氧化合物超導研究領域從事著重要的工作，并于1992年成立了中科大超導研究所，為我國在高溫超導領域的發(fā)展做出了重要的貢獻。同時，經(jīng)過中科大幾代人的努力堅持，為我國培養(yǎng)并儲備了一批從事高溫超導研究的專業(yè)人才。

銅氧化物高溫超導體在人類超導研究的歷史上發(fā)揮了重要的作用，但它們屬于陶瓷性材料，復雜的制作工藝使其大規(guī)模應用難以實現(xiàn)。上個世紀九十年代中后期，國際物理學界傾向認為銅氧化物超導體能給出的信息基本上被挖掘殆盡，通過銅氧化物超導體探索高溫超導機理的研究遇到了瓶頸。

機遇和有準備的頭腦

銅氧化物高溫超導體研究進入瓶頸期以后，國際上的相關研究進入低谷，在各種學術期刊，特別是那些高影響因子的期刊上發(fā)表高溫超導的論文變得愈發(fā)困難。國內的高溫超導研究因此遭受了打擊，相關研究人員紛紛轉到其他領域。

物理所很早認識到評價科學研究的關鍵是工作本身的科學意義，而非論文數(shù)量或影響因子。高溫超導具有極高的科學重要性和廣泛的應用前景，探索新型高溫超導材料，開辟更多的高溫超導研究蹊徑，才是應對瓶頸期的正確態(tài)度。在這樣的評價機制下，物理所頂著“沒有好文章”的壓力堅持高溫超導研究，為將來的科學突破做好了準備。與此同時，以陳仙輝為代表的中科大超導研究所的研究人員也一直堅持在高溫超導研究領域默默耕耘，并保持著對高溫超導二十年如一日的研究熱情，并與物理所的同行建立了良好的合作研究，為后來的鐵基超導研究奠定了合作基礎。

基于長期的超導研究，物理所趙忠賢院士等從事超導研究的科研人員認為在某些具有特殊磁或電荷性質的層狀結構體系中可能存在高溫超導體，并一直不懈探索。2008年2月下旬，日本化學家細野(Hosono)報道在四方層狀的鐵砷化合物：摻F的LaOFeAs中存在轉變溫度為26K的超導電性。雖然這個轉變溫度仍然低于40K，但它立刻引起了物理所人的注意。由于鐵的3d軌道電子通常傾向形成磁性，在該種結構體系中出現(xiàn)26K超導則非同尋常，有可能具有非常規(guī)超導電性。以趙忠賢院士為首，大家一致認為：LaOFeAs不是孤立的，26K的轉變溫度也大有提升空間，類似結構的鐵砷化合物中很可能存在系列高溫超導體。必須抓住機遇，全力以赴!

突破極限，勇攀新高

由于最早發(fā)現(xiàn)的鐵基超導樣品轉變溫度只有26K，低于麥克米蘭極限，當時的國際物理學界對鐵基超導體是不是高溫超導體舉棋不定。中科大陳仙輝研究組和物理所王楠林研究組同時獨立在摻F的SmOFeAs和CeOFeAs中觀測到了43K和41K的超導轉變溫度，突破了麥克米蘭極限，從而證明了鐵基超導體是高溫超導體。這一發(fā)現(xiàn)在國際上引起了極大的轟動，標志著經(jīng)過20多年的不懈探索，人類發(fā)現(xiàn)了新一類的高溫超導體。

為了進行更加系統(tǒng)和深入的研究，必須合成一系列的鐵基超導材料才能提供全面、細致的信息。物理所的趙忠賢組利用高壓合成技術高效地制備了一大批不同元素構成的鐵基超導材料，轉變溫度很多都是50K以上的，創(chuàng)造了55K的鐵基超導體轉變溫度紀錄并制作了相圖，被國際物理學界公認為鐵基高溫超導家族基本確立的標志。

中科大陳仙輝組在突破麥克米蘭極限后，又對電子相圖和同位素效應進行了深入研究，發(fā)現(xiàn)在相圖區(qū)間存在超導與磁性共存和超導電性具有大的鐵同位素效應，這些現(xiàn)象后來都被證明是大多數(shù)鐵基超導體的普適行為，對理解鐵基超導體的超導機理提供了重要的實驗線索。另外，陳仙輝組發(fā)展了自助溶劑方法，生長出高質量的單晶，為后續(xù)的物性研究奠定了基礎。

物理所王楠林組從實驗數(shù)據(jù)出發(fā)，猜測LaOFeAs在低溫時有自旋密度波或電荷密度波的不穩(wěn)定性，超導與其競爭。聞海虎小組合成了首個空穴型為主的鐵基超導體。方忠與實驗工作者深入合作，進一步加強了有關物性研究。方忠及其合作者計算了LaOFeAs的磁性，并且得到了和猜測一致的不穩(wěn)定性，做出了“條紋反鐵磁序自旋密度波不穩(wěn)定性與超導競爭”的判斷。這一預言隨后被國外同行的中子散射實驗證實。在當前的鐵基超導機理研究中，自旋密度波不穩(wěn)定性同超導的關系已經(jīng)成為最主流的方向。

截至2013年1月4日，鐵基超導體的8篇代表性論文SCI共他引3801次， 20篇主要論文共SCI他引5145次。相關成果在國際學術界引起強烈反響，被Science、 Nature、 Physics Today、Physics World等國際知名學術刊物專門評述或作為亮點跟蹤報道。著名理論物理學家，美國佛羅里達大學Peter Hirschfeld教授說：“一個或許本不該讓我驚訝的事實就是，居然有如此多的高質量文章來自北京，他們確確實實已進入了這個(凝聚態(tài)物理強國)行列”;美國斯坦福大學Steven Kivelson教授說：“讓人震驚的不僅是這些成果出自中國，重要的是它們并非出自美國。”

默默無聞，無私奉獻

在五名獲得國家自然科學一等獎的科學家背后，有著一支龐大的研究團隊。他們雖然默默無聞，但所做的杰出貢獻都在鐵基超導體的研究中熠熠閃光。

當已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的鐵基超導體系不斷產出優(yōu)秀論文的時候，物理所的靳常青“要走別人沒走過的路，要做出自己的新體系”。他通過不懈地嘗試和探索，在鐵基超導體1111體系和122體系之外，找到了第三種全新的以LiFeAs為代表的111體系超導體，引起了強烈的國際反響。LiFeAs的自旋密度波性質和其他體系有著明顯的不同，這對進一步探索高溫超導的內在物理機制和提高超導轉變溫度都有重要的意義。

丁洪是國家第一批“****”入選者。他放棄了美國波士頓學院的終身教授職位毅然回國后的第二天就投入到了鐵基超導的研究當中。當時，丁洪在國內的實驗室還沒有建成，他拿著樣品跑到日本完成了測量，首次在實驗上提出了鐵基超導體的能隙對稱性，解決了這個曾在銅氧化物超導體中被長時間爭論的問題。

任治安當時是趙忠賢組的主要成員之一，之前也是趙忠賢的博士生，直接與其他80后一起合成了一系列轉變溫度在50K以上的鐵基超導體。

王楠林研究組當時有一員干將名叫陳根富，2007年10月回國加入該組后，即著手開展了LaFeAsO等鐵砷超導材料的探索合成工作。他不但率先發(fā)現(xiàn)了41K的CeFeAs(O,F)新超導體，還首次生長出了一批高品質的超導單晶樣品，推動了相關鐵基超導機理的研究。

就是這樣一群值得世人崇敬的科學家，積極進取，努力拼搏，淡泊名利，勇攀高峰，讓世界對中國豎起了大拇指。而在我們滿懷著景仰之情采訪他們的時候，他們卻一點也不覺得自己做了什么了不起的事情。就像趙忠賢院士說的那樣，“榮譽歸于國家，成績屬于集體，個人只是其中的一分子”是每一個物理所人心中的信條。他們還反復強調說，自己只是中國科研人員中一個最最普通的集體。我們相信，和他們一樣優(yōu)秀和勤奮，樂于奉獻，有志報國的科學家在中國的各個地方、各個領域還有很多，都在等待著厚積薄發(fā)，破繭而出的那一刻。

民生超導，強國超導

百余年長盛不衰的超導研究歷史，表明新超導體探索存在廣闊的空間，特別是鐵基高溫超導體的發(fā)現(xiàn)也為潛在的重大應用提供了全新的材料體系。無論是比高鐵快近一倍的超導磁懸浮列車，比現(xiàn)有計算機快數(shù)十倍的超導計算機，還是基于超導技術的導彈防御和潛艇探測系統(tǒng)，都將在不遠的未來走進我們的生活、生產和國防。超導，這項二十世紀初的偉大科學發(fā)現(xiàn)，必將在二十一世紀改變每一個人的生活。

習近平總書記在考察中科院時，提出了“率先實現(xiàn)科學技術跨越發(fā)展，率先建成國家創(chuàng)新人才高地，率先建成國家高水平科技智庫，率先建設國際一流科研機構”的明確要求和殷切期望，為中科院引領支撐創(chuàng)新驅動發(fā)展戰(zhàn)略，全面深化科研體制改革，取得科技跨越發(fā)展，建設一流科研機構指明了方向。世界科技的競爭已經(jīng)演化為國家綜合實力的競爭，物理研究所放眼前沿，勇爭一流，鐵基高溫超導只是他們科技強國夢里的一個片段。許許多多這樣的片段連接起來，就可以被譜寫成中華民族偉大復興的感人篇章。