高温铁基超导的中国热度

    作为国家科技创新能力重要标志之一，国家自然科学奖一等奖旨在奖励我国在数学、物理学、化学、天文学等基础研究，信息、材料和工程技术等领域的应用基础研究等方面，阐明自然现象特征和规律，作出突破性进展的科研人员，其评选结果备受瞩目。在经历连续3年空缺之后，该奖终于在日前再次颁出。而获此殊荣的就是中国科学院物理所和中国科技大学的“40K以上铁基高温超导体的发现及若干基本物理性质研究”，这也是中国超导体研究领域继1989年凭借“液氮温区氧化物超导体的发现”摘得此奖后第二次问鼎该奖项。

    终结连续3年空缺、14年内两度获国家自然科学奖一等奖，中国超导科技取得的辉煌成就和影响远远超出了学术、科研和工业制造领域，其放射出的令人炫目的光彩吸引了社会公众普遍关注的目光。

    竞逐超导百年史

    “40K以上铁基高温超导体的发现及若干基本物理性质研究。”以准确严谨的科学语言描述的这一获奖成就，在外行听来免不了一头雾水，不知所云。然而，作为超导科技的重大突破，该成就无疑会大大推进人类对超导现象和本质的认识，并将可能催生一大批新的技术创新，进而深刻改变我们的工作和生活方式。正如获奖者之一、中科大教授陈仙辉所评价的那样：“有人说，人类文明史可以用材料来划分，石器时代、青铜时代、铁器时代……那么，下一个可以用来划分时代的材料就是超导体。超导研究百年不衰的原因之一，就是为发现室温超导体，它将给人们生活带来天翻地覆的变化。到那个时候，我们可能生活在《阿凡达》电影中，居住在悬浮的超导屋里，出门坐上无轨无轮的超导车，甚至手机、手提电脑充一次电就能用上好几个月。”

    超导是20世纪最伟大的科学发现之一，指的是某些材料在温度降低到某一临界温度，或超导转变温度以下时，电阻突然消失并且不能被磁场穿过的现象。具备这种特性的材料称为超导体。在超导研究的历史上，已经有包括发现者荷兰人卡麦林·昂尼斯在内的10位科学家5次诺贝尔奖，其科学重要性不言而喻。

    物理学家麦克米兰根据传统理论计算断定，超导体的转变温度一般不能超过40K（约零下233摄氏度），这个温度也被称为“麦克米兰极限温度”。1986年，德国科学家与瑞士科学家发现以铜为关键超导元素的铜氧化物超导体，转变温度高于40K，因而被称作高温超导体。很快包括中国科学家在内的研究团队将铜氧化物超导体的临界转变温度提升到液氮温区以上，突破了麦克米兰极限温度，使其成为高温超导体。遗憾的是铜氧化物高温超导体家族有两个主要缺陷：一是作为金属陶瓷材料加工工艺严苛，二是高昂的综合成本影响广泛应用。此外，铜氧化物超导并没有揭示高温超导电性机理丰富的物理内涵。要揭开高温超导的原理，广泛应用，寻找到临界温度更高的超导体势在必行。2008年2月，日本一个研究组发现在镧氧铁砷化合物中存在转变温度为26K（零下247.15摄氏度）的超导电性，揭示了铁砷化合物的超导性。

    觅得铁基高温超导

    日本的上述研究结果引起了中国科学家的注意。赵忠贤和团队成员分析后认为，镧氧铁砷不是孤立的，26K的转变温度大有提升空间，类似结构的铁砷化合物中很可能存在系列高温超导体。之后，中国科学技术大学陈仙辉研究组和王楠林研究组几乎同时在实验中分别观测到了43K和41K的超导转变温度，突破了“麦克米兰极限”，证明铁基超导体是继铜氧化物后的又一类非常规高温超导体，在国际上引起极大轰动。中科院物理研究所赵忠贤研究组将该类铁砷化合物的超导临界温度提升至55K（零下218.15摄氏度），利用高压合成技术制备出一大批不同元素构成的铁基超导材料并制作了相图，这标志着铁基高温超导家族基本确立。

    中国科学家在铁基高温超导方面发表了一系列研究论文，引起了国际同行的极大关注。据不完全统计，中国科学家在铁基超导体研究上的8篇代表性论文SCI他引达到3800多次，20篇主要论文SCI他引达到约5150次。2013年2月，中国科学院国家科学图书馆统计数据显示，世界范围内铁基超导研究领域被引用数排名前20的论文中，9篇来自中国，其中7篇来自物理所。《科学》《自然》等国际知名学术刊物纷纷对其作出专门评述，或将其作为亮点进行跟踪报道。中国科学家的铁基超导体工作研究也因此被评为《科学》杂志“2008年度十大科学突破”、美国物理学会“2008年度物理学重大事件”及欧洲物理学会“2008年度最佳”。

    中国科学家的出色表现赢得了国际同行的高度评价。美国佛罗里达大学教授、著名理论物理学家彼得赫胥菲尔德说：“一个或许本不该让我惊讶的事实就是，居然有如此多的高质量文章来自北京。他们的出色表现证明中国确确实实已进入了凝聚态物理强国行列。”

    催生全新超导时代

    高温超导材料的用途非常广阔，大致可分为3类：大电流应用、电子学应用和抗磁性应用。大电流应用即超导发电、输电和储能；电子学应用包括超导计算机、超导天线、超导微波器件等；抗磁性主要应用于磁悬浮列车和热核聚变反应堆等。而中国科学家在高温超导体方面取得的突出研究成果，特别是确立的新的超导家族以铁为关键化学元素，与传统铜氧化物高温超导体相比，在工业上更加容易制造，同时还能够承受更大电流，具有更广泛应用价值，为全面变革人类生产和生活奠定了基础。

    在传统高温超导体应用方面，近年来国内外已相继研制成功了多种应用超导器件和材料，这些成果已经渗透入人类的工作、学习和生活中。比如，高温超导滤波器已被应用于手机和卫星通讯，并明显改善了通信质量；超导量子干涉器件装备在医疗设备上使用，则大大加强了对人体心脑探测检查的精确度和灵敏度；世界上首个超导示范变电站也已在我国投入电网使用，其体积小、效率高、无污染等优点引领着未来变电站发展趋势。

    赵忠贤坦言，与同时期处于研发高潮的激光技术相比，超导科技的应用还远远不够，其在科学研究、信息通讯、工业加工、能源存储、交通运输、生物医学乃至航空航天等领域中的广泛而重大应用价值没有得到充分开发。而他看来，促进超导应用实现跨越式发展的途径不外乎两个方面，一是发展和改进现有实用超导材料的制备工艺，提高制冷系统的性能，提高可靠性和降低成本，同时大力开拓和培育应用市场。二是探索新的更适于应用的超导材料。随着人们对铜氧化合物超导体及铁基超导体的微观机理的了解，凝聚态物理学将迎来新突破，更适于应用或具有更高临界温度的超导体将可能被发现，一旦取得决定性突破，甚至实现室温超导，人类将迎来梦寐以求的超导时代。