超導(dǎo)與諾貝爾獎(jiǎng)

羅會仟

中國科學(xué)院物理研究所，北京 100190

超導(dǎo)與諾貝爾獎(jiǎng)

羅會仟?

中國科學(xué)院物理研究所，北京 100190

超導(dǎo)作為凝聚態(tài)物理前沿領(lǐng)域之一，百余年來長盛不衰，相關(guān)研究促成了至少5次諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，獲獎(jiǎng)人數(shù)至少10人。隨著超導(dǎo)研究的不斷發(fā)展，中國科學(xué)家在其中的貢獻(xiàn)也越來越重要，特別是在鐵基超導(dǎo)領(lǐng)域已經(jīng)引領(lǐng)世界前沿。本文將從各位諾獎(jiǎng)得主的經(jīng)歷，主要介紹超導(dǎo)研究及其重要性， 并探討未來超導(dǎo)領(lǐng)域可能產(chǎn)生諾獎(jiǎng)之處。

超導(dǎo)；諾貝爾獎(jiǎng)；鐵基超導(dǎo)；凝聚態(tài)物理

每年的十月初，科學(xué)界都要熱鬧一波，因?yàn)檫@是諾貝爾獎(jiǎng)宣布的時(shí)間。雖然諾獎(jiǎng)并不代表最高的學(xué)術(shù)研究水平，但已經(jīng)被潛移默化成為了科學(xué)界的最高榮譽(yù)。自從1901年第一屆諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給倫琴以來，百余年里已有200多位科學(xué)家榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)[1]。在物理諾獎(jiǎng)的歷史上，天體物理、粒子物理、原子分子與光物理、凝聚態(tài)物理等四大領(lǐng)域風(fēng)水輪流轉(zhuǎn)，細(xì)數(shù)下來，凝聚態(tài)物理相關(guān)的諾獎(jiǎng)有50位左右[2]。在這些科學(xué)家中，至少有10位科學(xué)家(圖1)是直接因?yàn)槌瑢?dǎo)的相關(guān)研究而獲得物理諾獎(jiǎng)。他們分別是卡末林?昂尼斯(1913年)，約翰?巴丁、列昂?庫伯、約翰?施里弗(1972年)，伊瓦爾?賈埃沃、布萊恩?約瑟夫森(1973年)，喬治?柏諾茲、亞歷山大?繆勒(1987年)，阿列克謝?阿布里科索夫、維塔利?金茲堡(2003年)[3]。

確切地說，超導(dǎo)只是凝聚態(tài)物理領(lǐng)域中的一個(gè)分支，算是整個(gè)物理的分支的分支。為何一個(gè)小小的超導(dǎo)領(lǐng)域，具有如此強(qiáng)大的生命力，又如此受諾獎(jiǎng)委員會的青睞呢？

超導(dǎo)，從字面上理解，就是“超級導(dǎo)電”之意。處于超導(dǎo)態(tài)的材料，其電阻率為零，且具有非常強(qiáng)大的完全抗磁性，即處于外磁場中時(shí)其內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度也是零。如此優(yōu)越的電磁特性，是其他任何材料都難以比擬的。于是，凡是需要用到電或磁的地方，超導(dǎo)都有大顯神通的機(jī)會。例如，采用超導(dǎo)材料替換傳統(tǒng)的銅鋁合金輸電線，就可以節(jié)約高壓輸電仍難以避免的15 %左右的輸電損耗。利用超導(dǎo)線圈制作的超導(dǎo)磁體，磁場強(qiáng)度可以達(dá)到25 T以上，和常規(guī)磁體搭配甚至能夠?qū)崿F(xiàn)45 T以上的超強(qiáng)穩(wěn)恒磁場。如今醫(yī)院核磁共振成像儀大多采用了超導(dǎo)磁體技術(shù)，最高分辨率足以把人類大腦里860億根神經(jīng)元給全部測繪出來！利用超導(dǎo)的強(qiáng)大電磁特性，可以實(shí)現(xiàn)604 km/h的高速穩(wěn)定超導(dǎo)磁懸浮列車，從北京到上海的旅程可縮短至2 h左右。超導(dǎo)材料的量子特性更具令人艷羨的極大應(yīng)用潛力，因?yàn)槌瑢?dǎo)電性的形成，正是由于材料中的電子體系發(fā)生了兩兩配對而形成電子集體的宏觀量子凝聚態(tài)。利用超導(dǎo)電子集體之間的量子干涉行為，可以實(shí)現(xiàn)最高精度達(dá)到量子極限的超導(dǎo)量子干涉儀。利用超導(dǎo)量子效應(yīng)做成的邏輯運(yùn)算單元——超導(dǎo)量子比特，可以構(gòu)造運(yùn)算能力比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)高數(shù)十萬倍的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)。即便是簡單利用超導(dǎo)材料對光、電、磁的敏感特性，也可以制作極其敏感的單光子探測器，是目前量子衛(wèi)星通信技術(shù)的關(guān)鍵元件；也可以制作信噪比極好的超導(dǎo)濾波器，在信息爆炸的時(shí)代提供優(yōu)越的通信質(zhì)量保障；還可以制作超導(dǎo)太赫茲發(fā)生器和接收器，在軍事和安全領(lǐng)域具有極大的潛力。以上例子不過是超導(dǎo)應(yīng)用領(lǐng)域的一小部分。正是因?yàn)槌瑢?dǎo)如此具有誘惑力，才驅(qū)使一代又一代的科學(xué)家為之著迷[4]。

圖1 因超導(dǎo)獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的10位科學(xué)家

超導(dǎo)的重要性，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不局限于它的廣闊應(yīng)用潛力。事實(shí)上，針對超導(dǎo)現(xiàn)象的研究，帶動了凝聚態(tài)物理學(xué)乃至整個(gè)物理學(xué)的發(fā)展。在實(shí)驗(yàn)上，針對超導(dǎo)材料各種復(fù)雜特性的研究，促使人們不斷改進(jìn)各種測量技術(shù)精度，提高測量環(huán)境指數(shù)，發(fā)展新的測量手段。例如：針對材料電子微觀狀態(tài)測量的光電子能譜技術(shù)，其能量分辨率從最初的100 meV，到現(xiàn)在1 meV以下，固體核磁共振技術(shù)能夠達(dá)到10 mK低溫，電阻測量技術(shù)能達(dá)到200萬個(gè)大氣壓的超高壓，新的共振非彈性X射線技術(shù)得以迅速發(fā)展。這些實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，是近百年來凝聚態(tài)物理不斷涌現(xiàn)新現(xiàn)象和新發(fā)現(xiàn)的硬件基礎(chǔ)。在理論上，針對超導(dǎo)電性的研究發(fā)展出來電子配對的思想和對稱性自發(fā)破缺的概念，影響到了冷原子、粒子物理、宇宙學(xué)等領(lǐng)域；而對關(guān)聯(lián)電子效應(yīng)的認(rèn)識推進(jìn)了人們對多體相互作用的理解，轉(zhuǎn)而采用拓?fù)湫騺碇匦旅枋鑫覀兊奈⒂^世界。新的理論框架正在萌芽生根成長，凝聚態(tài)物理大廈即將重新煥發(fā)青春，甚至整個(gè)物理學(xué)可能出現(xiàn)再次變革[5]。

正是因?yàn)槌瑢?dǎo)如此具有非凡魅力和重要性，才在百余年來一直屬于物理學(xué)前沿的研究內(nèi)容，并被諾獎(jiǎng)委員會看重。這些關(guān)于超導(dǎo)的故事，或許都可以從諾獎(jiǎng)的歷史中尋找到痕跡，而那些因超導(dǎo)獲獎(jiǎng)的科學(xué)家，每個(gè)人都是一部有趣的傳奇。

1913年，卡末林?昂尼斯因?yàn)榈蜏匚镄缘难芯恳约耙汉さ某晒χ苽涠@得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。其中，低溫物性的研究內(nèi)容就包括他在1911年發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)超導(dǎo)體——金屬汞。發(fā)現(xiàn)金屬汞超導(dǎo)的關(guān)鍵，就是獲得液氦以提供低溫環(huán)境。根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，把各種氣體進(jìn)行加壓就能變成液體，對應(yīng)液化的氣體其沸點(diǎn)在常壓下很低。例如：氮?dú)庠诔合碌姆悬c(diǎn)就是 77 K，進(jìn)一步減壓制冷可以達(dá)到 40 K左右的低溫環(huán)境。在其他氣體紛紛被征服之后，最后只剩下氫氣和氦氣兩個(gè)最輕的氣體尚未液化。昂尼斯在荷蘭的萊頓大學(xué)建設(shè)了低溫物理實(shí)驗(yàn)室，其主要目的就是攻克氫氣和氦氣的液化。經(jīng)過好友范德瓦爾斯(1910年獲物理諾獎(jiǎng))的指點(diǎn)，昂尼斯意識到光憑理想氣體狀態(tài)方程是不夠的，必須考慮氣體分子間相互作用的范德瓦爾斯方程，并很快攻克液氫技術(shù)。終于在1908年7月10日，昂尼斯實(shí)現(xiàn)了氦氣的液化(圖2)，獲得常壓下沸點(diǎn)為4.2 K的液態(tài)氦。利用液氦進(jìn)一步減壓制冷，可以達(dá)到約1.5 K的低溫環(huán)境，而He-3制冷則可以達(dá)到0.1 K以下的低溫。昂尼斯的成功開啟了低溫物理學(xué)的大門。在此之前，人們對金屬在低溫下的導(dǎo)電性并不了解，因?yàn)楫?dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)條件根本達(dá)不到足夠低的溫度。人們紛紛猜測，金屬電阻率可能在低溫下會出現(xiàn)迅速增大到發(fā)散的現(xiàn)象，或者降低到一定程度就停留在因雜質(zhì)和缺陷導(dǎo)致的剩余電阻率值上。昂尼斯則一直認(rèn)為，如果測量純度極高的金屬材料，就有可能在趨于絕對零度的時(shí)候，電阻率持續(xù)不斷減小到零。有了液氦這個(gè)低溫武器，昂尼斯很快就測量了各種金屬的低溫電阻率，發(fā)現(xiàn)室溫下導(dǎo)電性最好的鉑、金等到了低溫都存在剩余電阻率。終于在1911年，昂尼斯讓實(shí)驗(yàn)室助手開始測量金屬汞的低溫電阻率，主要是因?yàn)楣梢哉麴s提純，純度可以極高，堪稱完美金屬。神奇的一天就在4月8日的一個(gè)普通周末發(fā)生了，實(shí)驗(yàn)室助手在測量汞的低溫電阻時(shí)，發(fā)現(xiàn)跨越4.2 K的時(shí)候突然測不到電阻了，即讀數(shù)要低于儀器的分辨率10-5Ω。昂尼斯聽過這個(gè)事情后，立刻讓助手們重復(fù)了實(shí)驗(yàn)，并在他的筆記本上記錄了“超級導(dǎo)電”的字樣。但是因?yàn)?.2 K恰好和液氦沸點(diǎn)重合，令人不禁懷疑測量是否有問題。昂尼斯和同事們又花了數(shù)月時(shí)間確認(rèn)這個(gè)現(xiàn)象，才慎重地在荷蘭萊頓大學(xué)學(xué)報(bào)上發(fā)表相關(guān)結(jié)果，并命名為“超導(dǎo)”。證明超導(dǎo)體電阻率是否為零，其實(shí)是一件非常棘手的事情。萊頓大學(xué)低溫物理實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)員即使在昂尼斯去世后16年，仍然在重復(fù)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)以不斷提高實(shí)驗(yàn)精度。最終，人們證明超導(dǎo)體的電阻率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)比室溫下電阻率最低的常規(guī)金屬鉑還要小10個(gè)數(shù)量級。如果在超導(dǎo)環(huán)里實(shí)現(xiàn)1 A的穩(wěn)恒電流，那么可以持續(xù)穩(wěn)定地保證一千億年不衰減，比宇宙的年齡還要長！在這種情況下，人們完全可以認(rèn)為超導(dǎo)體的電阻率是完美的零，令人不免為其神奇之處感嘆不已[6]！

圖2 萊頓大學(xué)關(guān)于昂尼斯獲得液氦的紀(jì)念碑

1972年，時(shí)隔近60年后超導(dǎo)才再度獲得諾貝爾獎(jiǎng)。三位獲獎(jiǎng)?wù)呒s翰?巴丁、里奧?庫伯、約翰?施里弗的獲獎(jiǎng)理由是“因其共同發(fā)展的超導(dǎo)理論，通常稱為BCS理論”。這是一段耐人尋味的歷史，間接原因可能是20世紀(jì)20～50年代的諾獎(jiǎng)主要頒給了量子力學(xué)、粒子物理和天體物理，更直接的原因是超導(dǎo)領(lǐng)域在當(dāng)時(shí)并不夠火。昂尼斯發(fā)現(xiàn)第一個(gè)超導(dǎo)體之后，許多金屬單質(zhì)被陸續(xù)證明是超導(dǎo)體，在許多金屬合金中也發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)，但令人郁悶的是，它們的臨界溫度都極低，幾乎統(tǒng)統(tǒng)低于20 K(圖3)。如此低的溫度，意味著必須要靠液氦來維持低溫，但氦是稀有氣體，液氦又很難制得，因此超導(dǎo)應(yīng)用的成本是非常高昂的。另外一個(gè)重要的問題是，對超導(dǎo)微觀本質(zhì)的理解一直處于非常艱難的階段。許多聰明絕頂?shù)目茖W(xué)家，如愛因斯坦、費(fèi)曼、海森堡等人都曾嘗試過建立超導(dǎo)的微觀理論，但是，都失敗了?？梢哉f，超導(dǎo)的理論問題搭進(jìn)去一大群諾獎(jiǎng)得主，卻依然無果。事情的轉(zhuǎn)機(jī)在20世紀(jì)50年代，量子力學(xué)已經(jīng)發(fā)展成熟，基于量子力學(xué)框架的固體物理理論也發(fā)展起來了，人們才逐漸對固體材料中的微觀導(dǎo)電機(jī)制有了深刻的理解。在完成對半導(dǎo)體晶體管的研究之后，巴丁敏銳地意識到超導(dǎo)將是下一個(gè)突破的機(jī)會。于是他拉上博士后庫伯和研究生施里弗，組建了一個(gè)老中青結(jié)合的“三人團(tuán)”，在數(shù)月之后的集中努力下，終于在1956年取得了突破。庫伯首先證明金屬中電子若存在一種弱的吸引相互作用的話，是可以構(gòu)成電子對穩(wěn)定存在的；施里弗繼而找到一個(gè)合適描述電子對的波函數(shù)，并給出了超導(dǎo)電子的運(yùn)動方程；巴丁則從領(lǐng)導(dǎo)者的角度，指出電子之間是通過交換原子振動量子發(fā)生弱吸引相互作用，并引領(lǐng)庫伯和施里弗從理論上證明了零電阻效應(yīng)和完全抗磁性的存在，這個(gè)理論也因此以他們?nèi)嗣置麨锽CS理論。超導(dǎo)微觀理論幾乎完美解釋了常規(guī)金屬超導(dǎo)特性，其中電子如何產(chǎn)生吸引相互作用的思想影響深遠(yuǎn)[7]。

圖3 各種代表性超導(dǎo)材料發(fā)現(xiàn)的年代及其臨界溫度

這里有幾個(gè)有意思的故事。巴丁找施里弗做這個(gè)方向研究的時(shí)候，問過他是研究生幾年級，他答道是新入學(xué)不久的，然后巴丁就說：“那行，就先做做超導(dǎo)這個(gè)難題，耽誤你幾年時(shí)間也沒事，還可以找別的課題再想辦法畢業(yè)。”施里弗在尋找超導(dǎo)波函數(shù)歷程中也是極其痛苦的，但他是個(gè)興趣廣泛的人，包括經(jīng)常跨領(lǐng)域聽粒子物理學(xué)的相關(guān)演講報(bào)告。在某一次放假返校的火車上，施里弗終于受到粒子物理中某個(gè)公式的啟發(fā)，寫下來一個(gè)看似違反常規(guī)的超導(dǎo)波函數(shù)，后來證明是對的。當(dāng)時(shí)他只有24歲。巴丁本人更是物理學(xué)界的傳奇，他是歷史上唯一一位獲得兩次諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)(圖4)的科學(xué)家。他的第一次諾獎(jiǎng)就發(fā)生在他剛剛組建“超導(dǎo)夢之隊(duì)”之初的1956年，因他和貝爾實(shí)驗(yàn)室的肖克利、布拉頓等三人(圖5)一起發(fā)明了半導(dǎo)體晶體管，成為現(xiàn)代半導(dǎo)體和計(jì)算機(jī)技術(shù)的基石。在獲第一個(gè)諾獎(jiǎng)的時(shí)候，頒獎(jiǎng)人問巴丁是否帶家屬過來，他說帶了兩個(gè)兒子，但是讓他們在旅館呆著了，沒想到可以來諾獎(jiǎng)現(xiàn)場，頒獎(jiǎng)人于是半開玩笑說：“那下次吧！”結(jié)果還真有下次，而且1972年這次，巴丁果斷帶了兒子們?nèi)ソ邮苤Z獎(jiǎng)風(fēng)范的熏陶。他們在后來也成為了著名的科學(xué)家[7]。巴丁曾于1975年和1980年來中國訪問兩次，在中科院物理所作報(bào)告的時(shí)候，他道出了成功的秘訣：努力、機(jī)遇、合作。也是在這里，在這個(gè)時(shí)間段，中國組建了超導(dǎo)研究的第一支排頭兵，并在后續(xù)的超導(dǎo)研究中取得了多項(xiàng)世界前沿的成果。這些科學(xué)先驅(qū)者如今已開枝散葉，培養(yǎng)了一批世界超導(dǎo)研究的主力軍。

圖4 巴丁的諾獎(jiǎng)證書和兩枚獎(jiǎng)?wù)?/p>

圖5 巴丁、布拉頓、肖克利在貝爾公司

緊接著的1973年，超導(dǎo)再度摘得物理諾獎(jiǎng)，這次是因?yàn)槌瑢?dǎo)的應(yīng)用研究。布萊恩?約瑟夫森因在超導(dǎo)隧道效應(yīng)的理論預(yù)言(后被稱為“約瑟夫森效應(yīng)”)，伊瓦爾?賈埃沃因?yàn)閷?shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)隧道結(jié)，和另一位江琦鈴于奈因半導(dǎo)體隧道結(jié)等三人分享了當(dāng)年的物理諾獎(jiǎng)。約瑟夫森獲諾獎(jiǎng)時(shí)，年齡僅33歲，僅次于勞倫斯?布拉格(25歲)和李政道(31歲)的獲獎(jiǎng)年齡，而他做出相關(guān)研究工作的年齡，也不過22歲，還是研究生二年級階段。在約瑟夫森剛讀研究生的時(shí)候，他的導(dǎo)師是當(dāng)時(shí)的超導(dǎo)大牛之一皮帕德，他要約瑟夫森自己找研究課題。偶然一次聆聽當(dāng)時(shí)的另一位大牛物理學(xué)家——菲利普?安德森(1977年物理諾獎(jiǎng)得主)的演講，約瑟夫森覺得兩個(gè)超導(dǎo)體之間可能存在集體量子隧道效應(yīng)現(xiàn)象。他嘗試用簡單的變分法做了計(jì)算，并把初步的結(jié)果給導(dǎo)師看，結(jié)果招來一頓猛批。約瑟夫森不服，又去將計(jì)算結(jié)果發(fā)給理論大咖巴丁(時(shí)已因BCS理論成名)，又是招來一頓猛批，巴丁說他壓根不相信這么奇怪的結(jié)果。幸好，安德森表示了對年輕的約瑟夫森的支持，并鼓勵(lì)他撰寫論文發(fā)表，他才總算勉強(qiáng)畢了業(yè)。由于巴丁和導(dǎo)師的反對，約瑟夫森畢業(yè)后一度對科研有點(diǎn)心灰意冷。然而安德森注意到，賈埃沃實(shí)際上在2年前就觀察到了超導(dǎo)體之間的隧道電流，就讓同事重復(fù)類似實(shí)驗(yàn)，并成功觀察到了約瑟夫森理論預(yù)言的結(jié)果[8]。人們才紛紛相信超導(dǎo)體之間可以存在量子集體隧道效應(yīng)，并且隧道電流對磁場極度敏感。巴丁也在實(shí)驗(yàn)結(jié)果出來之后對約瑟夫森的態(tài)度來了個(gè)180°轉(zhuǎn)彎，進(jìn)而努力支持他的科研事業(yè)，或許導(dǎo)致了他成功得諾獎(jiǎng)。令人遺憾的是，業(yè)界的承認(rèn)也許對約瑟夫森來的晚了一些，他的研究興趣很快從物理轉(zhuǎn)移到了生物。特別是在晚年，約瑟夫森在一些超自然現(xiàn)象如人體特異功能等方面做了大量的“科研”，他本人也為之著迷，甚至曾在中國某名牌大學(xué)做過相關(guān)主題的講演，于是他逐漸淡出了正統(tǒng)科學(xué)界視野。約瑟夫森效應(yīng)是超導(dǎo)電子學(xué)應(yīng)用的基礎(chǔ)，超導(dǎo)量子干涉儀、超導(dǎo)量子比特、超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)等都依賴于此效應(yīng)。除了超導(dǎo)的強(qiáng)電應(yīng)用之外，這開啟了超導(dǎo)應(yīng)用的另一半天地——弱電應(yīng)用。特別是超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展，這些年非常迅猛，中國業(yè)已在上海投建阿里巴巴量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)室，期待能在10年內(nèi)建造出國產(chǎn)量子計(jì)算機(jī)。

超導(dǎo)的下一次諾獎(jiǎng)在1987年，再度頒給了超導(dǎo)材料研究——高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)，由兩位來自IBM公司的工程師柏諾茲和繆勒獲得。大家不必驚訝于他們的工作單位，因?yàn)楫?dāng)時(shí)的大型公司都設(shè)有基礎(chǔ)科研部門，和如今的國家實(shí)驗(yàn)室沒有什么區(qū)別，貝爾實(shí)驗(yàn)室就培育了一群如巴丁這樣著名的科學(xué)家。柏諾茲是繆勒的博士，畢業(yè)后留在公司繼續(xù)和導(dǎo)師做研究，目的就是從氧化物陶瓷材料中尋找超導(dǎo)電性。他們的探索并不受大家支持，因?yàn)槌＠砩涎趸锾沾刹牧蠋缀醵际墙^緣體，別說超導(dǎo)，連導(dǎo)電都困難。然而他們并沒有因此放棄，“我們從未想過會獲得成功，我們只能一直保持低調(diào)，不停地加班又加班，借同事的設(shè)備來完成實(shí)驗(yàn)?！?0年后的柏諾茲曾這么回憶道。終于在1986年，他們注意到法國科學(xué)家提到一類稀土銅氧化物L(fēng)a-Ba-Cu-O體系具有金屬導(dǎo)電性，隨后他們很快合成了材料，并把電阻測量到了低溫，發(fā)現(xiàn)在35 K以下電阻降為零。因?yàn)槿齻€(gè)樣品里只有一個(gè)樣品具有零電阻效應(yīng)，他們在發(fā)表論文時(shí)也慎重用了“可能的高溫超導(dǎo)電性”的說法。在來年繼續(xù)完成抗磁性實(shí)驗(yàn)測試后，才確定是超導(dǎo)。35 K的臨界溫度看似不高，但是在當(dāng)時(shí)已經(jīng)突破了超導(dǎo)材料Nb3Ge保持的23.2 K的臨界溫度記錄，相對之前總是在20 K之下的低溫超導(dǎo)，這已經(jīng)算是“高溫”了，故而稱之為“高溫超導(dǎo)體”(圖6)。柏諾茲和繆勒的論文于1986年6月發(fā)表，到1987年10月獲得物理諾獎(jiǎng)，間隔16個(gè)月，幾乎創(chuàng)下諾獎(jiǎng)工作最快的得獎(jiǎng)記錄。比他們還快的，是兩個(gè)中國人——楊振寧和李政道(獲獎(jiǎng)當(dāng)時(shí)持的還是中華民國護(hù)照)，于1957年因弱相互作用宇稱不守恒的理論工作獲諾獎(jiǎng)[9]。

圖6 柏諾茲展示La-Ba-Cu-O高溫超導(dǎo)體結(jié)構(gòu)

為什么柏諾茲和繆勒能夠如此之快獲得諾獎(jiǎng)，還得歸功于中國/華人科學(xué)家的貢獻(xiàn)。在得知柏諾茲和繆勒的工作之后，中國科學(xué)院物理研究所的趙忠賢團(tuán)隊(duì)(圖7)和美國休斯頓大學(xué)朱經(jīng)武及阿拉巴馬大學(xué)的吳茂昆團(tuán)隊(duì)對此非常興奮，因?yàn)閯倓傉业降摹案邷爻瑢?dǎo)”材料特性和他們長年以來探索高臨界溫度超導(dǎo)體的思路非常契合。僅僅過去數(shù)月時(shí)間，這兩支來自中國和美國的超導(dǎo)探索隊(duì)伍不僅完全獨(dú)立重復(fù)了柏諾茲和繆勒的工作，而且還發(fā)現(xiàn)了更高超導(dǎo)溫度的跡象，最終在1987年2月各自獨(dú)立地在Y-Ba-Cu-O體系成功實(shí)現(xiàn)了93 K的超導(dǎo)電性，為此誘發(fā)一輪刷超導(dǎo)臨界溫度的科技競賽。從35 K到90 K，這個(gè)驚人的跨越說明銅氧化物超導(dǎo)材料的優(yōu)越性，意味著它完全可以進(jìn)入77 K以上的液氮溫區(qū)，替換掉極其昂貴的液氦來維持低溫環(huán)境，使大規(guī)模應(yīng)用成為可能。另外，按照BCS理論預(yù)言，金屬或金屬合金的超導(dǎo)臨界溫度不能突破40 K，稱之為麥克米蘭極限。銅氧化物中的超導(dǎo)，顯然突破了該理論極限，也說明BCS理論本身就存在局限性。一般來說，人們認(rèn)為能夠突破40 K以上臨界溫度的超導(dǎo)體就稱之為“高溫超導(dǎo)體”(注: 也有說法是20 K)，而不能被BCS理論所描述的超導(dǎo)體稱之為“非常規(guī)超導(dǎo)體”。銅氧化物屬于兩者都是的情形，也有一些超導(dǎo)體臨界溫度雖不高，但同屬于非常規(guī)超導(dǎo)體。高溫超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)在當(dāng)時(shí)是極其轟動的，1987年3月的美國物理學(xué)會3月會議，特地設(shè)立“高臨界溫度超導(dǎo)體討論會”。來自世界各地的3000多名物理學(xué)家擠滿了1100人容量的報(bào)告廳，狂熱的會議討論一直持續(xù)了7個(gè)小時(shí)，直到凌晨2點(diǎn)才結(jié)束。那一次會議被稱為“物理學(xué)界的搖滾音樂節(jié)”，是超導(dǎo)研究史上劃時(shí)代的重要里程碑。雖然人們紛紛揣測為何沒有中國/華人科學(xué)家共享1987年的物理諾獎(jiǎng)，但最直接的原因是他們的成果公布時(shí)間都在1987年1月31日的諾獎(jiǎng)提名截止日期之后。令人值得敬佩的是，在當(dāng)時(shí)物資條件和實(shí)驗(yàn)條件都極其匱乏的情況下，中國科學(xué)家能夠獨(dú)立作出如此重要的世界前沿的科學(xué)貢獻(xiàn)，實(shí)屬不易[10]。

圖7 趙忠賢帶領(lǐng)的中國高溫超導(dǎo)探索團(tuán)隊(duì)

超導(dǎo)獲諾獎(jiǎng)的最近一次，是在2003年由阿列克謝?阿布里科索夫、維塔利?金茲堡獲得，獎(jiǎng)勵(lì)他們在超導(dǎo)方面的先驅(qū)性理論工作，同年獲獎(jiǎng)的還有超流理論方面的安東尼?萊格特。這是超導(dǎo)理論研究獲得的第二次諾獎(jiǎng)。阿布里科索夫和金茲堡的理論與BCS理論不同，后者是基于量子力學(xué)的微觀理論，而前者只是所謂的“唯象理論”。這里不得不提的是另外一個(gè)著名的蘇聯(lián)理論物理學(xué)家——列夫?朗道，他是蘇聯(lián)物理界的奠基人物，對凝聚態(tài)物理理論作出了最杰出的貢獻(xiàn)，和他比肩的唯有費(fèi)米，他們倆共同構(gòu)建了凝聚態(tài)物理的基石——朗道-費(fèi)米液體理論。正是朗道發(fā)明了基于相變和臨界現(xiàn)象的“朗道相變理論”，不僅可以描述超導(dǎo)現(xiàn)象，也能描述超流現(xiàn)象等一系列凝聚態(tài)物理中的相變行為。但是，朗道的理論構(gòu)造了一個(gè)想象中的“序參量”為前提，而不理會材料中的具體物理微觀機(jī)制，所以稱之為“唯象理論”。金茲堡正是和朗道一同針對超導(dǎo)現(xiàn)象發(fā)展出來了超導(dǎo)唯象理論——稱之為“金茲堡-朗道理論”。然而光有理論方程并不能說明問題，阿布里科索夫發(fā)揮了他的數(shù)學(xué)天分，從數(shù)學(xué)上給出了這個(gè)理論方程的解析解，并將超導(dǎo)體劃分成兩大類：第一類超導(dǎo)體只有一個(gè)臨界磁場，之上為有電阻的正常態(tài)，之下為零電阻的超導(dǎo)態(tài)；第二類超導(dǎo)體具有兩個(gè)臨界磁場，上臨界場之上為有電阻、不抗磁的正常態(tài)，下臨界場之下為零電阻、完全抗磁的超導(dǎo)態(tài)，中間則是具有零電阻但不具有完全抗磁性的混合態(tài)。阿布里科索夫特別指出，在第二類超導(dǎo)體的混合態(tài)中，磁場可以量子化磁通渦旋的方式進(jìn)入超導(dǎo)體，每個(gè)磁通渦旋對應(yīng)的磁通量就是一個(gè)量子化的最小磁通單位——“量子磁通”，并且它們將組成有序排列的磁通格子。這個(gè)理論預(yù)言隨后在實(shí)驗(yàn)上被直接觀測到，證明了超導(dǎo)現(xiàn)象屬于一種量子效應(yīng)。超導(dǎo)磁通量子的存在，意味著超導(dǎo)體在很多時(shí)候電磁特性是非常復(fù)雜多變的，這既給超導(dǎo)的強(qiáng)電應(yīng)用帶來了許多困難，也給超導(dǎo)的弱電應(yīng)用帶來了許多機(jī)遇[11]。因?yàn)槌瑢?dǎo)應(yīng)用方面長久以來的困難性，阿布里科索夫的工作也一直未能得到諾獎(jiǎng)委員會的重視。1962年朗道則早早因液氦等其他凝聚態(tài)理論獲得諾獎(jiǎng)，也可能是委員會擔(dān)心這位遭遇車禍的天才挺不了多少年，趕緊發(fā)獎(jiǎng)了卻遺憾。2003年獲得諾獎(jiǎng)時(shí)，金茲堡已是87歲高齡，阿布里科索夫已是75歲高齡(圖8)。不久之后，金茲堡于2009年去世，阿布里科索夫則于2017年去世。確實(shí)，欲得諾獎(jiǎng)，健康長壽也是重要的前提之一。

圖8 阿布里科索夫的諾獎(jiǎng)證書

以上和超導(dǎo)直接相關(guān)的10位諾獎(jiǎng)得主也屬于不完全統(tǒng)計(jì)。實(shí)際上超導(dǎo)和超流理論研究一脈相承，許多物理期刊都將其歸為一類。超導(dǎo)BCS理論中的電子配對思想以及對稱性破缺的概念，被廣泛應(yīng)用于超流和粒子物理領(lǐng)域，如湯川相互作用、希格斯機(jī)制等都與之相關(guān)。萊格特、朗道等人獲得的諾獎(jiǎng)雖都是頒給了他們的超流理論工作，卻或多或少與超導(dǎo)相關(guān)。湯川秀樹、南部陽一郎和希格斯等人也相繼獲得了物理諾獎(jiǎng)。2016年，物理學(xué)諾獎(jiǎng)?lì)C給了戴維?索利斯、鄧肯?霍爾丹和邁克爾?科斯特利茨三位科學(xué)家(圖9)，以表彰他們在理論上發(fā)現(xiàn)了拓?fù)湎嘧兒屯負(fù)湮镔|(zhì)。其中科斯特利茨和索利斯正是在研究超流和超導(dǎo)現(xiàn)象的時(shí)候提出了相變的理論模型，稱之為“KT相變”[1]。近年來，對材料拓?fù)湫再|(zhì)的研究，開啟了凝聚態(tài)物理新的大門，一些在粒子物理領(lǐng)域常年來難以尋覓的“幽靈粒子”或“天使粒子”，也相繼在凝聚態(tài)物質(zhì)中被發(fā)現(xiàn)，物理學(xué)為此也正在醞釀著一場變革。

可以肯定的是，超導(dǎo)領(lǐng)域還將會涌現(xiàn)多位諾獎(jiǎng)。那么，超導(dǎo)的下一個(gè)諾獎(jiǎng)會頒給什么研究成果？頒給哪國科學(xué)家？頒給哪幾位科學(xué)家？

圖9 2016年三位物理諾獎(jiǎng)得主

圖10 鐵基超導(dǎo)發(fā)現(xiàn)者西野秀雄

2008年發(fā)現(xiàn)鐵基超導(dǎo)材料的日本科學(xué)家西野秀雄(圖10)是超導(dǎo)諾獎(jiǎng)“候選者”之一，在近些年被多家機(jī)構(gòu)預(yù)測可能獲得諾獎(jiǎng)。鐵基超導(dǎo)材料是繼銅氧化物高溫超導(dǎo)體之后發(fā)現(xiàn)的第二大高溫超導(dǎo)家族，具有非常龐大的材料體系，當(dāng)之無愧是新超導(dǎo)材料之星。有意思的是，西野秀雄發(fā)現(xiàn)鐵基超導(dǎo)體時(shí)，其中最高臨界溫度的是La-Fe-As-O-F體系中的26 K，并未突破40 K的麥克米蘭極限，尚不能確認(rèn)是高溫超導(dǎo)體。實(shí)現(xiàn)這一重大突破，并將塊體超導(dǎo)溫度提升至55 K的，正是來自中國本土的科學(xué)家們。更難能可貴的是，中國科學(xué)家在這場鐵基超導(dǎo)新浪潮中，已經(jīng)從過去超導(dǎo)研究中的跟隨者迅速成長為一個(gè)浪潮引領(lǐng)者。不僅在鐵基超導(dǎo)材料探索方面取得多項(xiàng)突破性的發(fā)現(xiàn)，而且在鐵基超導(dǎo)物性的實(shí)驗(yàn)研究方面獲得多項(xiàng)世界領(lǐng)先的成果，在鐵基超導(dǎo)理論方面率先提出各種理論解釋和模型，在鐵基超導(dǎo)材料強(qiáng)電應(yīng)用方面成功領(lǐng)銜世界，幾乎全方位占據(jù)了世界最前沿。用《科學(xué)》雜志評論的一句話：“新超導(dǎo)體將中國科學(xué)家推向世界最前沿。” 2008年鐵基超導(dǎo)被多家機(jī)構(gòu)評為世界十大科學(xué)進(jìn)展之一。中國鐵基超導(dǎo)研究團(tuán)隊(duì)(圖11)獲得了2009年度“求是杰出科學(xué)成就集體獎(jiǎng)”和2013年度國家自然科學(xué)一等獎(jiǎng)；中國科學(xué)家趙忠賢和陳仙輝因鐵基超導(dǎo)材料的突出貢獻(xiàn)獲得2015年度超導(dǎo)材料探索領(lǐng)域最高榮譽(yù)“馬蒂亞斯獎(jiǎng)”；中國高溫超導(dǎo)研究的領(lǐng)軍科學(xué)家趙忠賢院士獲得2016年度國家最高科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)；清華大學(xué)薛其坤因單層鐵硒超導(dǎo)等研究獲得2016年度“未來科學(xué)大獎(jiǎng)”物質(zhì)科學(xué)獎(jiǎng)。這系列獎(jiǎng)項(xiàng)說明，中國科學(xué)家在世界超導(dǎo)研究領(lǐng)域已經(jīng)占據(jù)先鋒隊(duì)里的一席之地[12]。

圖11 中國鐵基超導(dǎo)研究團(tuán)隊(duì)

2015年發(fā)現(xiàn)的硫化氫高壓超導(dǎo)也可能是下一個(gè)超導(dǎo)諾獎(jiǎng)的熱門“候選”。兩位德國科學(xué)家德羅茲多夫和厄麥斯(圖12)在實(shí)驗(yàn)上成功測量了200萬個(gè)大氣壓下H3S的電阻和磁化率，發(fā)現(xiàn)了高達(dá)203 K的超導(dǎo)電性，是目前為止超導(dǎo)臨界溫度的最高紀(jì)錄。雖然該體系超導(dǎo)微觀機(jī)理比較清楚，而且如此高的外界壓力也意味著應(yīng)用幾無可能，但畢竟也是突破紀(jì)錄的啟發(fā)性嘗試[13]。

此外，在超導(dǎo)材料探索方面，1979年發(fā)現(xiàn)的有機(jī)超導(dǎo)體和重費(fèi)米子超導(dǎo)體屬于非常規(guī)超導(dǎo)體的另兩大家族，也可能是下一個(gè)超導(dǎo)諾獎(jiǎng)。當(dāng)然，人們更加期待在未來的某一天，室溫300 K下的超導(dǎo)體會被發(fā)現(xiàn)，那必定將誕生另一個(gè)超導(dǎo)諾獎(jiǎng)[14]。

圖12 發(fā)現(xiàn)硫化氫超導(dǎo)的兩位德國科學(xué)家德羅茲多夫和厄麥斯

最后，在超導(dǎo)研究方面必定會獲得諾獎(jiǎng)的將是高溫超導(dǎo)的微觀理論或非常規(guī)超導(dǎo)體的微觀理論。正如前文所述，銅氧化物高溫超導(dǎo)體和鐵基高溫超導(dǎo)體已經(jīng)無法用傳統(tǒng)的BCS理論描述，其中遇到的困難甚至是突破朗道-費(fèi)米液體理論的。也就是說，一旦高溫超導(dǎo)微觀理論取得實(shí)質(zhì)性的突破，那么傳統(tǒng)凝聚態(tài)物理研究的基石可能將要重建，對整個(gè)物理學(xué)的影響都是前所未有的[15]。

當(dāng)然，諾獎(jiǎng)是無法100%預(yù)測的，獲不獲得諾獎(jiǎng)，科學(xué)家都會為超導(dǎo)之謎而持續(xù)不斷地奮斗?？上驳氖牵陙?，中國在超導(dǎo)研究之路上的隊(duì)伍不斷發(fā)展壯大，無論在超導(dǎo)材料探索、超導(dǎo)物性研究、超導(dǎo)機(jī)理研究、超導(dǎo)應(yīng)用技術(shù)方面，中國科學(xué)家的貢獻(xiàn)都越來越多、越來越重要、越來越前沿。我們完全有理由相信，下一個(gè)超導(dǎo)領(lǐng)域的重大突破，也許會發(fā)生在中國，甚至是我們自己的身邊。屆時(shí)，是否需要用諾獎(jiǎng)來衡量，都已不再重要。

(2017年10月25日收稿)

[1] All Nobel Prizes in Physics [EB/OL]. [2017-10-20]. https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/.

[2] 施郁. 今天諾貝爾物理獎(jiǎng)會給誰？先看看過去的贏家都是誰[EB/OL]. (2017-10-03)[2017-10-20]. http://blog.sciencenet.cn/blog-4395-1078858.html.

[3] 羅會仟, 周興江. 神奇的超導(dǎo)[J]. 現(xiàn)代物理知識, 2012, 24(2): 30-39.

[4] 章立源. 超越自由: 神奇的超導(dǎo)體[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2005.

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[8] 李昆侖. 不要輕信科學(xué)家的話——訪諾獎(jiǎng)得主布萊恩·約瑟夫森教授[J]. 國際人才交流, 2010(6): 15-16.

[9] 施郁. 引力波得諾獎(jiǎng)極快, 但是沒有快過兩個(gè)中國人[EB/OL].(2017-10-05)[2017-10-20]. http://blog.sciencenet.cn/blog-4395-1079232.html.

[10] 劉兵. 對1986-1987年間高溫超導(dǎo)體發(fā)現(xiàn)的歷史再考察[J]. 二十一世紀(jì), 1995(4): 89-98.

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[12] 羅會仟. 鐵基超導(dǎo)的前世今生[J]. 物理, 2014, 43(7): 430-438.

[13] 羅會仟. 臭雞蛋硫化氫超導(dǎo)事件的十點(diǎn)回顧[EB/OL]. (2016-10-11)[2017-10-20]. http://blog.sciencenet.cn/home.php?do=blog&id=1007997&mod=space&uid=22926.

[14] 羅會仟. 納尼, 室溫超導(dǎo)體來了??？[EB/OL]. (2016-07-06)[2017-10-20]. http://blog.sciencenet.cn/blog-22926-988933.html.

[15] 向濤, 薛健. 高溫超導(dǎo)研究面臨的挑戰(zhàn)[J]. 物理, 2017, 46(8): 514-520.

Nobel Prize in superconductivity researc h

LUO Huiqian
Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China

Superconductivity has been the frontier research area in condensed matter physics for more than one hundred years. At least, there are 5 Nobel Prizes in Physics awarded to superconductivity research, and about 10 laureates. More impressively, Chinese scientists have been making more and more important contributions to the superconductivity research, especially for recent leading studies on iron-based superconductors. Here, we will learn about the stories from these Nobel laureates, and introduce the importance of superconductors. Further possible Nobel prizes in superconductivity will be also discussed.

superconductivity, Nobel Prize, iron-based superconductor, condensed matter physics

10.3969/j.issn.0253-9608.2017.06.005

?通信作者，E-mail: hqluo@iphy.ac.cn

(編輯：沈美芳)

數(shù)百枚翼龍蛋揭示翼龍?jiān)缙诎l(fā)育過程

2017年12月1日，美國《科學(xué)》（Science）在線發(fā)表了中國與巴西兩國科學(xué)家組成的國際合作團(tuán)隊(duì)對哈密翼龍蛋與胚胎發(fā)現(xiàn)的重要成果。通過對一件產(chǎn)自保存有超過200枚翼龍蛋，并且其中16枚翼龍蛋含有三維立體的胚胎化石標(biāo)本的細(xì)致分析，首次提出一種新的假說或觀點(diǎn)：雖然是一種相對早熟型的胚胎發(fā)育模式，但翼龍胚胎發(fā)育并不像之前認(rèn)為的那么早熟，還需要成年翼龍的照顧。這是繼2014年在哈密戈壁發(fā)現(xiàn)大量雌雄哈密翼龍和世界上首枚三維立體保存的翼龍蛋之后的又一次重要發(fā)現(xiàn)。

翼龍，與恐龍同時(shí)代存在、統(tǒng)治天空霸權(quán)的史前脊椎動物，因化石稀少而留下許多謎團(tuán)。這件令人驚嘆的標(biāo)本由三塊可以互相連接的砂巖塊組成，出露面積約3.28 m2，已經(jīng)暴露的翼龍蛋化石就有215枚，包括下伏沒有完全暴露的翼龍蛋，數(shù)量可能更大，推測可達(dá)300枚，同時(shí)還有10余個(gè)頭骨和下頜，以及數(shù)量眾多的頭后骨骼。此前，全世界發(fā)現(xiàn)的翼龍化石總共不過11枚。這是世界上首次發(fā)現(xiàn)三維立體保存的翼龍胚胎蛋，為了解翼龍胚胎發(fā)育、生殖策略等提供新的證據(jù)。

這件標(biāo)本，是由中國科學(xué)院古脊椎動物與古人類研究所汪筱林研究員領(lǐng)導(dǎo)的新疆哈密科考隊(duì)，在新疆哈密戈壁下白堊統(tǒng)地層發(fā)現(xiàn)并搶救性采集的。歷經(jīng)10多年連續(xù)的野外科考，科考隊(duì)對翼龍化石的分布范圍、富集和埋藏規(guī)律有了深入的認(rèn)識。在灰白色湖相砂巖中，夾有富集翼龍蛋和頭骨等骨骼化石的紅色泥巖礫屑的風(fēng)暴沉積層，厚10～30 cm。在2.2 m的剖面上，有8層富含翼龍化石，其中4層同時(shí)含有翼龍蛋化石。哈密地區(qū)成為中國乃至世界上又一重要的翼龍化石寶庫。

大量翼龍蛋、胚胎和頭骨等骨骼化石的發(fā)現(xiàn)，顯示哈密翼龍具有群居的生活習(xí)性，而且這里很可能是它繁殖產(chǎn)蛋地點(diǎn)之一。哈密翼龍是一種翼展可達(dá)3.5 m的大型翼龍，生活在距今約1.2億年的哈密地區(qū)，當(dāng)時(shí)哈密地區(qū)是一個(gè)大型湖泊。多次大型湖泊風(fēng)暴事件導(dǎo)致翼龍集群死亡并短距離搬運(yùn)快速埋藏，也造就了哈密戈壁如此豐富的翼龍蛋與骨骼化石的特異埋藏。

此次研究的16枚翼龍胚胎蛋化石基本是不完整，骨骼從一根到幾根均有。對接近孵化狀態(tài)的幾枚胚胎進(jìn)行CT掃描、三維重建以及胚胎發(fā)育研究顯示，哈密翼龍胚胎的股骨已經(jīng)完全發(fā)育，意味著很可能哈密翼龍孵化后就具備了在陸地上行走的能力；其左右兩側(cè)的肱骨卻還沒有發(fā)育完全，還不具有彎曲的三角肌脊——翼龍附著與飛行相關(guān)的胸肌的位置，意味著翼龍孵化后很可能還不具備飛行能力，只有行走能力。此外，翼龍胚胎中沒有發(fā)現(xiàn)任何牙齒的痕跡，因?yàn)檠例X萌發(fā)較晚，翼龍寶寶很可能也不能主動捕食，需要父母進(jìn)行喂食或者照料。

此外，科學(xué)家選取了哈密翼龍的兩枚胚胎和數(shù)件幼年到接近成年個(gè)體的長骨進(jìn)行骨組織學(xué)研究，首次揭示了翼龍生長發(fā)育史。哈密翼龍具有較快的骨骼生長發(fā)育速度。翼龍胚胎主要由編織骨組成，幼年到亞成年的上肢骨骼則主要以纖層骨為主，最接近成年的個(gè)體在死亡時(shí)至少有2歲，但還沒有完全達(dá)到成年。

[段艷芳 據(jù)《Science》，2017-12-01]