“高溫超導”開辟超導新天地，始終於禁忌處見驚喜

在大眾眼中，“高溫超導”似乎始終蒙著一層神秘的面紗，人們雖然知道它，但是卻不了解它。今年的國家科學技術獎勵大會上，一生致力於超導研究的趙忠賢院士榮獲國家最高科學技術獎。那麼高溫超導究竟有何魅力，可以使無數科學家孜孜不倦地對其進行探索？

中國科學院院士趙忠賢作題為《從超導研究看創新》的學術報告。

超導即導體電阻為零的“超級導電”現象

一般金屬導體的電阻會隨溫度下降而減小，那麼，若把溫度不斷降低，電阻會發生怎樣的變化？100多年前，荷蘭的昂尼斯給出了答案，部分金屬的電阻會在低溫狀態下突然消失變為零，形成“超級導電”的現象，我們稱這種現象為超導。

后來經科學家研究發現，不僅電阻可以為零，超導體的內部磁感應強度也為零，即產生超導體完全抗磁的現象。這種神奇的電磁現象意味著超導體在所有電和磁的應用領域都有用武之地，超導體也因此成為“材料之星”。

“麥克米蘭極限”和超導材料的特性成為了超導不可突破的“禁忌”

超導的實現需要極低的溫度，即超導臨界溫度。比如金屬汞需要在4.2 K（相當於-269℃）以下才能實現超導，如此低溫的環境需要靠昂貴的液態氦等來實現。所以，尋找超導臨界溫度更高的超導材料，是科學家們一直以來努力的方向。

1957年，物理學家麥克米蘭建立了常規超導理論。理論中提到，超導臨界溫度無法突破40K的上限，此理論又被稱為麥克米蘭極限。此外，科學家們還總結出了高臨界溫度超導材料應具備的特征，包括高對稱性、高電子濃度、不含氧、無磁性、非絕緣體等特征。經過60余年的不斷努力，科學家們目前為止尋找到的最高臨界溫度的材料是鈮鍺合金(23 K)。

高溫超導材料突破“禁忌”，開辟超導新天地

然而麥克米蘭極限理論以及高臨界溫度超導材料的特性並沒有成為科學家們探索新超導材料的桎梏，他們不斷在氧化物、金屬化合物、乃至有機物中實現了超導。1986年，瑞士科學家反其道而行之，在通常導電不好甚至絕緣的銅氧化物陶瓷材料中實現了溫度為30K的超導電性。緊接著，中國的趙忠賢、美國的朱經武等科學家在另一銅氧化物材料中實現了溫度在90K以上的超導，這類超導材料也被稱之為高溫超導材料。這一重大發現徹底打破了麥克米蘭極限，突破了之前有關超導材料探索的“禁忌”。

高溫超導材料的臨界溫度突破了液氮沸點(77K)，意味著超導可以用廉價的液氮來替代液氦，這麼看來，超導就能夠得到更大規模的應用。然而事與願違，銅氧化物的機械性能很差，承載的電流密度有限，而且在磁場下其行為復雜，超導狀態也不穩定。所以之后的30余年，銅氧化物的應用一直處於技術瓶頸階段。更令人發愁的是，銅氧化物超導體的機制非常復雜，許多傳統的物理理論都不再適用於它，尋找新一類40K以上的高溫超導材料就成了迫在眉睫的任務。

2008年，驚喜再一次出現，日本的西野秀雄等人在鐵砷化物中實現了溫度為26K的超導電性。以趙忠賢為代表的一批中國科學家在第一時間驗証了該結果，並且迅速通過稀土替換和高溫高壓合成的方法，把臨界溫度提升到了55K，第二個高溫超導家族“鐵基超導體”就此誕生。“鐵基超導體”的發現同樣是突破性的進展——人們以往認為含鐵的材料具有磁性，會使超導難以實現，但是鐵基材料不僅含鐵，還含鎳和鈷等磁性元素，因此超導和磁性完全可以在新機制下“和平共處”。

如今，兩大高溫超導家族的研究可以互相對照，為高溫超導機理和新超導材料的探索帶來前所未有的新機遇。高溫超導研究的突破，必將對科學研究乃至人類社會產生深遠的影響。

作者：中國科學院物理研究所副研究員羅會仟