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当赵忠贤团队获得国家自然科学奖一等奖时
发布时间:2019-06-03 20:11

  1月9日,2016年度国家科技奖励大会在京召开。中国科学院物理研究所的赵忠贤院士因其在高温超导领域的突出贡献获得了国家最高科学技术奖。同时获此奖项的还有2015年诺贝尔生理学或医学奖得主屠呦呦。

  这并不是赵忠贤院士第一次获得国家科技大奖。以他为代表的团队曾分别于1989年和2013年因“液氮温区氧化物超导体的发现及研究”和“40K以上铁基高温超导体的发现及若干基本物理性质研究”而荣获国家自然科学奖一等奖。

  此外,赵忠贤还曾在2015年获得Matthias奖。该奖项是超导研究领域的重要国际奖项,每3年颁发一次。

  2013年,当赵忠贤团队获得国家自然科学奖一等奖时,外界曾评价道,“超导研究是中国科学家距离诺贝尔奖最近的领域”。

  超导态研究是凝聚态物理学的重要部分。凝聚态指的是粒子间有很强态互作用的系统。固态以及液态是人们最为熟悉的凝聚态。除了这两种态之外,凝聚态还包括一些特定的物质在低温条件下的超导态、晶体与自旋有关的铁磁态及反铁磁态、超低温原子系统的玻色-爱因斯坦凝聚态等等。目前在超导研究领域,已经有10位科学家获得了5次诺贝尔奖,分别是:

  1913年,在低温条件下的某些金属中发现并命名超导现象的荷兰科学家翁内斯(Heike Kamerlingh Onnes)。

  1973年,分别发现半导体和超导体中的“隧道效应”的日本科学家江崎玲於奈和美国科学家贾埃弗(Ivar Giaever)。

  1992年,在超导体和超流体领域中做出开创性贡献的俄美双国籍科学家阿列克赛·阿布里科索夫(Alexei A. Abrikosov)、俄罗斯科学家维塔利·金茨堡(Vitaly L. Ginzburg)和英美双国籍科学家安东尼·莱格特(Anthony J. Leggett)。

  那么,中国科学家是如何在超导领域奋起直追,逐渐成为该领域的强国,并一度创造了世界瞩目的铁基超导“奇迹”的呢?

  超导,全称超导电性,是20世纪最重要的科学发现之一,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,电阻突然消失的现象。具备这种特性的材料称为超导体。

  1908年,荷兰科学家翁内斯(Onnes)成功制备液氦,并在液氦温度下研究物质的热力学和电学性质。1911年,翁内斯发现汞的电阻在温度降到4.2K(-269℃)以下时变为0。他将此特性命名为超导性,并获得1913年的诺贝尔物理学奖。

  那么,超导现象是如何产生的呢?通常情况下,电子在定向运动时会与金属晶格碰撞,形成电阻。1957年,Bardeen、Copper 和 Schrieffer 提出著名的 BCS 理论,即具有相反自旋和动量的电子对通过与晶格振动声子的交换作用,互相吸引,形成 Cooper 对。而这个Cooper对可以在晶格中无阻碍传输,是超导的机制。临界温度的存在,则是因为较高温度下更强的晶格振动对Cooper对造成破坏。三人也因此荣获1972年的诺贝尔物理学奖。

  从超导领域开创以来,探索更高温度的超导条件就成了科学家不懈的追求之一。但美国科学家麦克米兰基于BCS理论计算,认为超导临界温度不太可能超过39K(-234℃),39K这个温度也被称为“麦克米兰极限”。这个极限温度一度被主流学界所接受。

  1967年,德国科学家柏诺兹(J.Georg Bednorz,1950-)和缪勒(Karl A.Muller,1927-)发现了钡镧铜氧系统中的高临界温度(35K)超导电性。他们共同分享了1987年度诺贝尔物理学奖。这也标志了铜氧化合物超导体的突破性意义——诺贝尔奖在极少数情况下才会颁发给刚刚出炉的成果。

  赵忠贤是国际上最早认识到铜氧化合物超导体重要意义的少数科学家之一。他的团队从1986年底到1987年初,在十分简陋的实验条件下夜以继日工作,终于和国际上少数几个小组几乎同时在镧-钡-铜-氧体系中获得了40K以上的高温超导体。

  但接着,赵忠贤团队做出的70K超导成果没能被人重复。顶着来自海外学者的质疑和施压,赵忠贤猜测是实验样品中的杂质发挥了某种作用,并主动寻找这种关键性的杂质。在用锶取代钡没有复现70K超导现在之后,1987年2月19日深夜,赵忠贤团队终于在钇钡铜氧(Ba-Y-Cu-O)中发现了临界温度为93k的超导转变。国际上很多实验室验证了中国的工作。

  93K这个温度的重要意义,在于突破液氦的温区而进入液氮的温区,使得人们可以用便宜的液氮取代昂贵的液氦创造超导体的低温环境。这个成果推动了世界范围的高温超导研究热潮,赵忠贤团队因此荣获1989年度国家自然科学奖集体一等奖。

  2008年2月下旬,东京工业大学化学家细野秀雄(Hideo Hosono)发现了在四方层状的铁砷化合物:掺F的LaOFeAs中存在转变温度为26K的超导电性。中国科学家们敏锐地嗅到铁基超导是高温超导领域一个重要的突破口,并迅速投入了研究。

  2008年3月25日,中科大的陈仙辉小组经过反复实验验证,在国际上首次在常压下获得临界温度达到43K(–230.15°C)的铁基化合物超导体体——氟掺杂钐氧铁砷化合物,突破了“麦克米兰极限”。这项成果发表在《自然》上,成为2008年全世界最具影响和被引用最多的5篇论文之一。

  仅仅四天后,在3月29日,赵忠贤小组做出了临界温度为52K的镤铁砷氧氟超导体。接着,在4月13日,赵忠贤小组又做出了临界温度为55K的钐铁砷氧氟超导体,创造了大块铁基超导体的最高临界温度纪录并保持至今,为确立铁基超导体为第二个高温超导家族提供了重要依据。

  由于上述“40K以上铁基高温超导体的发现及若干基本物理性质研究”,以赵忠贤、陈仙辉、王楠林、闻海虎、方忠为代表的中国科学院物理研究所/北京凝聚态国家实验室和中国科学技术大学研究团队被授予2013年度国家自然科学奖一等奖。

  除了陈仙辉小组和赵忠贤小组,中国当时还有几个研究团队都各自独立完成了铁基超导领域的重要突破。在短短数月内,中国科学家从投入研究到成果井喷,吸引了全球科学界的注意力。

  在2008年4月一篇题为《新超导体将中国物理学家推向前沿》的评述文章中,著名学术期刊《科学》写道,“中国相关研究成果井喷,这标志着,中国已经成为凝聚态物理领域的强国”。

  《科学》还写道,中国在高温超导领域的高产已经引发了美国研究者们的担忧。美国国家研究委员会的报告曾指出,由于经费停滞,美国正处于失去凝聚态物理研究优势的边缘。

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