10月28日，2023腾讯科学WE大会特邀中国科学院院士、中国高温超导研究奠基人之一赵忠贤，中国科学院院士、基因诺亚方舟掌舵者钱前，双料诺贝尔奖得主、石墨烯之父安德烈·海姆，诺贝尔物理学奖得主、“起源联盟”负责人迪迪埃·奎洛茲，沃尔夫化学奖得主、网状化学之父奥马尔·亚基，国际知名抗衰老遗传学家、三院院士琳达·帕特里奇，中山大学深圳生物医学工程学院教授蒋乐伦，带来全球基础科学前沿突破。
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早在公元前6世纪的古希腊时期，哲学家泰勒斯记录了世界上的两个神奇现象：一是摩擦后的琥珀吸引轻小物体；二是磁石可以吸铁。千年来，一代又一代对大自然感兴趣的人们接续探索电磁现象，人类文明的进程加速前进，如今，人类再也离不开“电”与“磁”了。
神奇的现象催生科学思考，科学研究激发探索未知。物理学家在研究材料在低温下的导电行为中，发现了神奇的超导现象，它具备绝对零电阻和完全抗磁性的两大神奇特点，将可能改变整个世界，诸如能源、通信、健康、交通等方方面面。
今年以来，“室温超导”频繁登上热搜，从一个专业科学话题变为全民关注的公众话题。从超导、高温超导，再到未来的室温超导，超导科学走过极为不平凡的道路。这次，腾讯科学WE大会邀请到中国科学院院士、国家最高科学技术奖得主赵忠贤，为我们分享超导科学的发展历程与相关应用。
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超导新发现
20世纪初，物理学正处在从经典物理学向现代物理学，特别是向量子力学过渡的时期，一个突然的发现震惊了整个物理学界。
1911年，荷兰物理学家海克·卡末林·昂内斯继1908年实现氦气液化——他成为世界上第一个掌握4K以下低温技术的科学家之后，在研究低温下的汞的电阻行为时发现：在温度降低到4.2K（﹣269℃）时，汞突然进入一种新状态，即电阻为零。这一现象在1913年被正式确认，被称作“超导电性”。
低温技术对于超导发现是转折性的改变，在许多物理学家忙于寻找更多具有“超导电性”的超导材料时，德国物理学家瓦尔特·迈斯纳在德国建立了世界第三大氦气液化气，并迈入超导研究行列。22年后的1933年，迈斯纳和他的学生罗伯特·奥克森菲尔德有了新发现，他们在对金属球体做磁场分布测量时发现，一个理想的超导体，它内部的磁感应强度等于零。
迈斯纳效应
完全抗磁性成为超导体的又一个特征，被称作“迈斯纳效应”。科学家定义：同时具有零电阻效应和完全抗磁性两个独立物理性质的材料，才可以称为超导体。
这几乎改变了物理学研究的走向，自此后百余年，超导物理基础不断夯实、超导家族成员不断扩大。超导科学研究也大致分为两支：一支是揭示背后机理，解决超导特性的关键科学问题；一支是发现新的超导材料并探索应用。
一项重大的科学取得突破，点燃了科学家们的热情和期待，一代又一代顶尖科学家的加入将超导科学推向高潮。
1957年，超导微观理论诞生了。49岁的美国物理学家约翰·巴丁带着27岁的利昂·库珀和26岁的罗伯特·施里弗提出了超导机制的BCS理论（该理论以Bardden、Cooper、Schrieffer首字母缩写而命名），这完全从理论上解释了金属超导材料中观察到的各种现象，比如零电阻、比热容跃变等奇异性质。如今，BCS理论被公认为是量子场论理论进展的一个里程碑，它不仅清晰地描述了超导的微观物理图像，其概念也被运用于物理学的其他领域。
BCS理论不断丰富，成为了超导领域最重要的支撑理论。
然而，热潮很快退去，迷茫和困惑困扰着科学家们，超导临界温度难以提升，依然需要昂贵的液氦低温维持，大规模应用无从谈起，理论框架仍然无法突破……许多人热情不再，悄然退场。
直到20世纪七八十年代，高温超导的发现给超导研究带去了希望和信心。这一次，“中国超导队”登场，作为最重要的贡献者之一，他们在简陋的实验室里、自造的电炉里创造了记录、改写了历史。
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中国走向舞台
赵忠贤是在全球超导研究“低谷期”时进入这一领域的。1973年，赵忠贤被派往英国剑桥大学进修，并接触到了世界超导研究最前沿。那时，超导温度记录始终突破不了40K（约-233.15℃），始终被限定在“麦克米兰极限”中。
所谓麦克米兰极限，是科学家麦克米兰根据BCS理论计算结合实验数据推测，认为常压下金属及合金超导临界温度最高不可能超过40K， 因此40K便被称作超导体临界温度的“麦克米兰极限”。
30多岁被“超导”吸引的赵忠贤却坚信能找到更高临界温度的超导体。1975年底回到中国科学院物理研究所之后，赵忠贤全力投入了高温超导体的研究中，核心目标就是寻找高临界温度的超导材料。
一个初出茅庐的年轻人，挑战科学界几乎所公认的“定论”，这太大胆了！难道不是天方夜谭吗？质疑声纷至沓来。
1977年，赵忠贤在《物理》杂志上发表文章，分析了麦克米兰理论中的片面性，高温超导体就可能存在于结构复杂的化合物当中。
“如果只限于几种简单的结构去探索，由于地球上的元素就那么多种，路子就走不宽，所以一定要着手于复杂的结构。”赵忠贤说。
即使是有限的简单元素，也可以排列组合出不计其数的复杂化合物，在渺茫的希望中寻找可能，赵忠贤带着团队沉寂了十年，不断寻找超导材料。累了，他们就在椅子桌子上靠一靠，饿了，就煮碗面条。那时的科研条件今天无法想象，赵忠贤回忆，经费和设备是现在的1%，实验条件更是落后发达国家30年。
“别看现在这个样品不超导，新的超导体很可能就诞生在下一个样品中。”在最困难的时候，团队成员们互相鼓励着。
如果科学家看得更远一点，那一定离不开站在巨人的肩膀上。在这期间，1986年来自瑞士IBM公司的科学家柏诺兹和缪勒在铜氧化物陶瓷材料钡-镧-铜-氧体系里发现了临界温度在35K（约-238.15℃）左右的高温超导零电阻迹象和抗磁性结果。
当年的一天，赵忠贤像往常一样到物理所图书馆查资料，读到了柏诺兹和缪勒的论文，论文中提到的杨-泰勒效应可能引起高温超导现象，与他当年提到的结构不稳定可能产生高温超导思想不谋而合。
赵忠贤和团队立即开始重复试验。当时的实验设备极其简陋，烧制氧化物样品的电炉是自己绕制搭建的，测量电阻和磁化率的设备也是在液氦杜瓦的基础上改建的。他们很快率先重复了柏诺兹和缪勒的工作，发现了铜氧化物材料超导临界温度仍有提升的可能性。
短短几个月时间里，中、日、美三国科学家奋战在实验室，寻找到液氮温区的高温超导材料——临界温度超77 K（约-196℃）的超导材料。经过反复实验，振奋人心的时刻出现在1987年2月19日深夜，赵忠贤和团队决定再烧一次样品，把垃圾筐里准备扔掉的“可能的坏样品”也翻出来，X-Y记录仪上出现了“久违”的理想信号——93K（约-180℃）左右的超导电性。
在此期间，美国休斯顿大学教授朱经武、日本东京大学团队几乎同时独立在铜氧化合物做出90K以上的超导电性。临界温度从35K到90K以上，意味着高温超导体可能是普遍存在的，激发了科学家冲击室温超导的决心和信心，超导的大规模应用也变得不那么遥不可及。这一类超导体被称为“铜基超导体”。
1987年3月，全球物理学界最大的学术会议——美国三月会议，特地专门设立“高临界温度超导体研讨会”，3000多名世界各地的物理学家挤满了1100人容量的报告厅，赵忠贤受邀在大会作特邀报告，代表中国超导团队在国际学术界挣得属于中国的一份荣誉。回到北京后，赵忠贤发现家里的蜂窝煤烧完了，马上骑上三轮车拉煤去了，认真完成他在家里的“必要性”工作。
也是在那一年，柏诺兹和缪勒获得了诺贝尔物理学奖。柏诺兹说：“赵教授及其同事们的研究成果是举世瞩目的，感谢他们为世界科技的发展和超导研究作出重要贡献。”
赵忠贤在工作中
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中国成为舞台主角
“北京的赵”不仅多次出现在国际会议和期刊上，也成为了不少青年学生追逐的“偶像”。1987年，中国科学院物理研究所超导国家实验室（现超导国家重点实验室）成立。以实验室为核心，辐射全国，一大批青年学生和年轻人从此加入了高温超导研究。
国际上，铜氧化物高温超导材料、技术、性能等得到了爆发式的飞跃发展。然而，实验结果纷繁复杂，理论解释众说纷纭，高温超导机理仍是迷雾重重，BCS理论似乎也颇有局限。
超导电性由谁控制？库伯对能隙如何形成？什么影响了超导态的形成？等一系列问题还需要经过严格的实验和理论考量。在热浪逐渐退却的过程中，有的团队解散了，有人干脆退出超导领域。
“当时虽然遇到了瓶颈，但我坚信，高温超导研究有潜力，未来必将有重大突破。”赵忠贤在“冷板凳”上一坐又是20年。
2008年2月，日本东京工业大学教授田野秀雄发表论文，宣布发现一类新型超导材料镧—氧—铁—砷体系，在临界温度26K时产生了超导电性，这一类铁砷化合物后来被称作“铁基超导体”。
赵忠贤提出了高温高压合成结合轻稀土元素替代的方案，带领团队用淘换来的设备做实验，一台被大家叫做“土炮”的压机坏了修、修了坏，当时67岁的赵忠贤带领年轻人几乎通宵工作。
很短的时间，他们先后做出了52K的镨-铁-砷-氧-氟超导体、51K的钕-铁-砷-氧-氟和55K的钐-铁-砷-氧-氟超导体。很快他们又合成了绝大多数50K以上的系列铁基超导体、创造了大块铁基超导体55K（-218.15℃）最高临界温度纪录并保持至今。
2008年从3月到4月，在中国高校和研究所的实验室里，一群年轻的科学家们奋力合成并研究新的超导体，铁基超导体材料不断成功，以天的频率刷新着临界温度。那时，中青年物理学家闻海虎、王楠林、陈仙辉、任治安、陈根富、方忠、曹光旱、许祝安等发挥了重要作用。
美国《科学》杂志评论说，“中国如洪流般不断涌现的研究结果，标志着在凝聚态物理领域中国已经成为强国”。
为什么中国学者在短时间内成为高温超导领域的领导者之一？
在科学家们看来，在高温超导领域，中国学者长期坐得“冷板凳”，已经培养了一批不怕吃苦、有经验和敢于突破的年轻团队。良好的科学氛围也是推动中国高温超导机制走向世界前列的重要因素之一，在中国科学院物理研究所的办公室、楼道上、食堂里、球场上，甚至厕所里都有人在讨论着物理问题。
有科学家透露，一次在工会活动室的牌桌上，中国科学院物理研究所研究员王楠林提及在细野秀雄的论文里镧—氧—铁—砷材料的电阻存在一个拐折点,但并没有什么物理解释，同为中国科学院物理研究所研究员方忠从事理论研究，他立刻指出了可能是密度波有序态造成的，俩人一拍即合，充分结合实验数据和理论计算,很快就发现这类材料具有多套费米面,因为铁原子的特殊性,极有可能存在自旋密度波序,也就是磁有序态的一种。
这一理论很快也被国际其它研究组证实。
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超导走向千家万户
为什么科学家们执着地寻找不同的超导体材料？为什么超导体的临界温度被“刷新”得一高再高？甚至，超导科学家们有一个终极梦想，那就是发现室温超导（温度在300K，也即27 ℃左右）！
原因，就在于它的需求与应用前景无限广阔。
◆能源环境领域：超导线缆可实现无损耗输电，超导极低频感应加热将传统的交流感应加热效率从40%提升到80%，极大降低了金属加工冶炼的能量损耗，为实现节能减排贡献力量。目前已有大城市实用化案例，为现代电网节约能耗，助力碳中和。“人造小太阳”磁约束可控核聚变的实现必须依赖于大型超导磁体，是未来能源问题的解决方案之一。
◆医疗健康领域：超导核磁共振成像是健康医疗的重要工具，目前正在攻克的14T核磁共振将达到20微米左右分辨率。目前我国功能磁共振成像技术人均保有量是西方国家10年前的水平。未来，无液氦的核磁共振成像系统将普及所有县级/镇级医院，造福我国14亿人口。基于超导量子干涉仪和超低场核磁共振等技术的心磁图和脑磁图探测，以及基于超导加速磁体的紧凑型重离子加速器，将为医疗诊断和治疗提供新的解决方案。
◆通信领域：超导的量子隧穿效应极其敏感，且与材料性质和环境状态无关，约瑟夫森隧道电压已经成为电压基准，在日常生活中已默默发挥了“基石”作用。超导滤波器为实现高保真的无线电通讯提供了保障，超导单光子探测器是实现远距离量子通讯的“秘密武器”。
此外，超导技术在天文、储能、量子计算等领域也有着广泛的应用。
“我国的超导研究多次荣获国内外奖项，从基础研究到应用研究已经形成完整链条，规模化产业应用亟待发展，有望开辟技术前沿新赛道。”如今，82岁的赵忠贤密切关注着研究和产业动态，推动中国超导迈向新的辉煌。
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韩扬眉｜《中国科学报》记者
（本文感谢中国科学院物理所研究员罗会仟的支持）
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关键词
超导体
超导材料
高温超导
临界温度
室温超导