鐵基超導(dǎo)研究：以老帶新坐熱基礎(chǔ)研究“冷板凳”

邱晨輝

1月10日，以趙忠賢、陳仙輝、王楠林、聞?；ⅰ⒎街覟榇淼闹袊?guó)科學(xué)院物理研究所（下稱“物理所”）和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)（下稱“中科大”）團(tuán)隊(duì)，憑借“40K以上鐵基高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)及若干基本物理性質(zhì)研究”，獲得了2013年國(guó)家自然科學(xué)一等獎(jiǎng)，這是中國(guó)自然科學(xué)領(lǐng)域的最高獎(jiǎng)。

此前，這一科學(xué)成果早已在國(guó)際學(xué)界名聲斐然。國(guó)際知名科學(xué)刊物《科學(xué)》在“新超導(dǎo)體將中國(guó)物理學(xué)家推到最前沿”的專題評(píng)述中評(píng)價(jià)道：“中國(guó)如洪流般涌現(xiàn)的研究結(jié)果標(biāo)志著，在凝聚態(tài)物理領(lǐng)域，中國(guó)已經(jīng)成為一個(gè)強(qiáng)國(guó)。”

這對(duì)基礎(chǔ)研究相對(duì)薄弱的中國(guó)來(lái)說(shuō)十分不易。更讓人感慨的是，這樣一個(gè)巨大的科學(xué)成果，9位主要完成人平均年齡只有49歲，倒推到實(shí)驗(yàn)完成時(shí)的2008年，這一數(shù)字還要減去5歲，這還未把平均年齡20多歲的博士生算進(jìn)去?？梢哉f(shuō)，在金融管理等實(shí)用專業(yè)火爆、基礎(chǔ)研究專業(yè)相對(duì)被忽視的今天，仍有很多年輕人堅(jiān)守在科學(xué)路上。

超導(dǎo)，全稱超導(dǎo)電性，是指某些材料降低到某一臨界溫度，電阻突然消失的現(xiàn)象。具備這種特性的材料稱為超導(dǎo)體。

科學(xué)家麥克米蘭根據(jù)傳統(tǒng)理論計(jì)算推斷，超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變溫度不能超過(guò)40K（約-233℃）。然而，人類對(duì)超導(dǎo)的應(yīng)用是否確實(shí)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？物理學(xué)家要做的是在一次又一次的實(shí)驗(yàn)中去證實(shí)或證偽這個(gè)問(wèn)題。

1986年，兩名歐洲科學(xué)家發(fā)現(xiàn)以銅為關(guān)鍵超導(dǎo)元素的35K銅氧化物超導(dǎo)體，很快包括中國(guó)科學(xué)家在內(nèi)的研究團(tuán)隊(duì)將銅氧化物超導(dǎo)體的臨界轉(zhuǎn)變溫度提升到液氮溫區(qū)以上，突破了麥克米蘭極限溫度，使它成為高溫超導(dǎo)體。

2007年10月以來(lái)，物理所研究員王楠林、陳根富研究組也加入這個(gè)研究的行列。也就是在那時(shí)，在讀博士董靖開(kāi)始零距離接觸超導(dǎo)。

此前，在董靖心目中，科學(xué)家是一出手就解決問(wèn)題的“大?！?。但當(dāng)燒過(guò)幾十次樣本仍一無(wú)所獲時(shí)，她才發(fā)現(xiàn)并非如此。如果把最終成型的鐵基樣本比作月餅，鐵就是燒月餅所要的材料，而為了讓鐵基樣本達(dá)到“超導(dǎo)”的效果，董靖還要在其中摻雜一些諸如砷在內(nèi)的金屬元素，這就好比是燒月餅要添加餡料和水以符合某種味道，但它們的比例如何調(diào)配，則是實(shí)驗(yàn)中不確定的因素，而這還包括需要掌控的火候、燒烤的天數(shù)等等。因此，在董靖無(wú)數(shù)次實(shí)驗(yàn)里，大部分做出來(lái)的都是“豆腐渣式的月餅”。

任治安是鐵基超導(dǎo)研究帶頭人、中科院院士趙忠賢研究組的主要成員之一。2008年，還沒(méi)過(guò)30歲生日的他，是鐵基超導(dǎo)研究9個(gè)主要完成人中最年輕的一位。相比董靖，他更有一線實(shí)驗(yàn)操作經(jīng)驗(yàn)。他幽默地說(shuō)：“在基礎(chǔ)研究中，除了最后出成果的，之前研究的名字都叫‘失敗?！?/p>

科學(xué)家對(duì)高溫超導(dǎo)探索的第一次高潮可以追溯到上世紀(jì)80年代。1986年，銅氧化物高溫超導(dǎo)體被發(fā)現(xiàn)。隨后，由于銅氧化物高溫超導(dǎo)體屬于陶瓷性材料，復(fù)雜的制作工藝使其大規(guī)模應(yīng)用難以實(shí)現(xiàn)。上世紀(jì)90年代中后期，高溫超導(dǎo)研究隨即被“打入冷宮”，相關(guān)研究人員紛紛轉(zhuǎn)到其他領(lǐng)域。

今年已經(jīng)73歲的趙忠賢是整個(gè)團(tuán)隊(duì)中年齡最長(zhǎng)者，他記得，那時(shí)想要在各種學(xué)術(shù)期刊，特別是一些影響大的期刊上發(fā)表高溫超導(dǎo)論文變得愈發(fā)困難。沒(méi)有好文章，對(duì)于搞基礎(chǔ)研究的人似乎是致命的，但趙忠賢卻仍然堅(jiān)守著“冷板凳”。他說(shuō)，要把這個(gè)“冷板凳”坐熱了，至少為熱愛(ài)科學(xué)的年輕人鋪一條路。

直到2007年底，年僅37歲的陳根富從國(guó)外回到物理所，并做了個(gè)“外人不解”的決定——投入到鑭氧鐵砷非摻雜單晶體的制備中，這個(gè)拗口的專業(yè)用詞，曾一度被無(wú)數(shù)國(guó)際頂尖物理學(xué)家斷言為超導(dǎo)體研究的禁區(qū)。

2008年2月，日本化學(xué)家細(xì)野在四方層狀的鐵砷化合物中發(fā)現(xiàn)存在轉(zhuǎn)變溫度為26K的超導(dǎo)電性，但因?yàn)闆](méi)有突破麥克米蘭極限溫度，還不能確定鐵基超導(dǎo)體為高溫超導(dǎo)體。

于是，王楠林和陳根富“敏銳”地利用這一研究方法，沖擊鐵基超導(dǎo)的最終結(jié)果。2008年3月，中科大陳仙輝研究組和物理所王楠林研究組分別獨(dú)立在摻F的SmOFeAs和CeOFeAs中觀測(cè)到了43K和41K的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度，突破了麥克米蘭極限，率先證明了鐵基超導(dǎo)體是高溫超導(dǎo)體。

就像是一次爆發(fā)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)做出來(lái)，竟不超過(guò)3個(gè)月。然而，如果從嚴(yán)格意義上來(lái)計(jì)算整個(gè)研究的時(shí)間，3個(gè)月是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，且不說(shuō)研究員之前為此所做的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備，僅是王楠林和陳根富在這方面的研究時(shí)間“那就是十幾年了”。

目前來(lái)看，中國(guó)物理研究尤其是超導(dǎo)研究似乎已進(jìn)入一個(gè)水漲船高的時(shí)代。2013年2月，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家科學(xué)圖書(shū)館統(tǒng)計(jì)顯示，世界范圍內(nèi)鐵基超導(dǎo)研究領(lǐng)域被引用數(shù)排名前20的論文中，8篇來(lái)自該研究團(tuán)隊(duì)。

事實(shí)上，這已不是趙忠賢團(tuán)隊(duì)第一次摘得中國(guó)自然科學(xué)的最高獎(jiǎng)。1987年，以他為代表的物理所研究團(tuán)隊(duì)獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了起始轉(zhuǎn)變溫度在100K以上的Y-Ba-Cu-O新型超導(dǎo)體。這一成果榮獲了1989年國(guó)家自然科學(xué)一等獎(jiǎng)。趙忠賢表示，今年的“獲獎(jiǎng)作品”正是得益于上次獲獎(jiǎng)研究成果的積累和人才培養(yǎng)?！叭绻磥?lái)國(guó)際上在超導(dǎo)研究又有新突破，我相信一定有中國(guó)人的身影。”

遠(yuǎn)的不說(shuō)，2008年這次研究就培養(yǎng)了不少年輕人。比如，那時(shí)26歲的吳濤還是中科大的博士生，他跟著導(dǎo)師陳仙輝做這項(xiàng)研究。如今，他已是該校一位年輕的80后教授。當(dāng)時(shí)只是副研究員的任治安，5年后也已成了研究員。

有人問(wèn)趙忠賢：“整個(gè)過(guò)程中的困難是怎么克服的？”他并未將其中的過(guò)程一一說(shuō)出，而是專門(mén)談了整個(gè)團(tuán)隊(duì)中年輕人的重要性。他說(shuō)：“這些70后、80后的年輕人，只要給了他們機(jī)會(huì)，就一定能做出東西來(lái)。在我眼中，他們就是一支有激情、肯吃苦、能戰(zhàn)斗、可信賴的隊(duì)伍。” ※