·“我們現在的技術發展就是主要三類，一類是能源、信息、生物技術。而超導材料既可以支撐能源技術，也能支撐信息技術。人類文明可以用材料來劃分，室溫超導材料就可以成為劃分人類社會文明時期的標志性材料。”

·“我認為要尋找室溫超導體，還需要從新機制下手，這就是現在我們正在努力的一個方向。”

從1911年，荷蘭萊頓大學的教授海克·卡末林·昂內斯發現超導現象開始，至今112年過去了。雖然只有百余年歷史，但通過超導研究直接獲得諾貝爾獎的科學家迄今已有10位。

82歲的趙忠賢和60歲的陳仙輝被授予2023未來科學大獎-物質科學獎。

8月16日上午，2023未來科學大獎獲獎名單揭曉。因對高溫超導材料的突破性發現和對轉變溫度的系統性提升所做出的開創性貢獻，我國超導領域的兩位關鍵人物——82歲的趙忠賢和60歲的陳仙輝被授予“物質科學獎”。

高溫超導材料（臨界溫度在40K即零下233℃，以上的超導體）主要有兩大類：銅氧化物超導體和鐵基超導體。

在銅氧化物方面，趙忠賢領導的團隊獨立發現了第一個液氮溫區的超導材料。在鐵基超導體方面，陳仙輝研究組首先將超導轉變溫度提高到麥克米蘭極限之上，證明鐵基超導體確實是非常規的高溫超導體，而趙忠賢研究組創造并保持了在塊狀材料中超導轉變溫度的記錄。

在提高超導轉變溫度的同時，趙忠賢和陳仙輝對于高溫超導的物理機制做了大量系統性的研究，在過去數十年內推動了高溫超導領域的發展。

在獲獎名單公布后，趙忠賢、陳仙輝接受了澎湃科技（www.6773257.com）的采訪，談及過往的研究歷程，未來的研究方向，也直接回應了當下熱議的“室溫超導體材料LK-99”的研究。

112年前發現超導，已誕生多位諾獎得主

1908年7月10日，荷蘭萊頓大學的教授海克·卡末林·昂內斯如往常一樣在實驗室進行著他的低溫物理學研究。但不同以往的是，在這天下午，他第一次將氦氣液化，以﹣269℃（4.2K，K為溫度的國際單位開爾文）刷新了人造低溫的新紀錄。

這一天，極低溫物理世界的大門對人類打開。此后1911年，被同行尊稱為“零度先生”（人類所能達到的最低溫度為絕對零度）的昂內斯又將汞冷卻到了4.2K以下，此時他測量到其電阻幾乎降為零。這就是超導現象的發現，超導即指材料在低于某一溫度（臨界溫度）時電阻變為零，這意味著電的傳輸將能最大限度地降低損耗。

電學現象總是和磁學現象相生相伴，超導現象里除了零電阻這個特征外，完全抗磁性就是另一個重要特性，磁共振成像、超導磁懸浮列車等都基于其發展起來。一百多年來，科學家們前赴后繼，不斷尋找臨界溫度更高的超導材料，這樣的材料才可能降低成本大規模應用。

超導領域的發展過程中可以說有幾個關鍵節點：超導理論的建立、高溫超導體的出現，以及現在受到廣泛關注的對室溫超導的探索。

室溫超導材料被稱為最后的“圣杯”。

至暗時刻：-233.15℃的理論溫度上限

從發現超導現象開始，如何解釋現象背后的物理機制就成為關鍵問題。在這個探索過程中，出現的比較著名的理論有二級相變理論、倫敦方程、皮帕理論、金茲堡-朗道理論等。對于此后發展影響力最大的是1957年美國物理學家約翰·巴丁、利昂·庫珀和約翰·羅伯特·席弗提出電子-聲子耦合理論（簡稱“BCS理論”）。

BCS理論認為，在低溫下，金屬中的電子之間會形成一種特殊的配對狀態，稱為庫珀對。庫珀對之間可以相互作用，形成一個相干態，其可以無阻礙地流動，不受雜質或晶格振動的影響，因此具有零電阻。同時，庫珀對也會排斥外部磁場，使得超導體內部沒有磁感應強度，這就是完全抗磁性或邁斯納效應。

然而1968年，美國物理學家麥克米蘭根據當時唯一一個成功解釋超導現象的BCS理論斷定，一般超導體的臨界轉變溫度不可能高于40K（約-233.15℃），這個溫度被學界稱為“麥克米蘭極限”。這也是超導領域的“至暗時刻”，整個領域進入了低谷期。因為如果不能突破“麥克米蘭極限”，那么科學家們曾經以為存在的“高溫超導體”就是水中月鏡中花。

1977年趙忠賢于《物理》雜志發表“探索高臨界溫度超導體”一文。

1977年，36歲的趙忠賢在《物理》雜志上撰文，他指出超導體的臨界溫度可以達到40—55K（約-233℃—-218℃），甚至在某些情況下可以達到80K（約-193℃）。

趙忠賢1941年生于遼寧新民，1959年考入中國科大技術物理系，“當時中國科學技術大學教課的老師都很有名，如數學系是華羅庚先生授課，力學系有錢學森先生，技術物理系有嚴濟慈先生等。郭永懷也是科大的系主任”。趙忠賢對記者回憶道。1964年，他從中國科學技術大學畢業后進入中國科學院物理研究所工作，一直從事低溫與超導研究，這篇文章發表時他剛從英國劍橋大學進修回來不久。

趙忠賢當時認為，如果只限于幾種簡單的結構去探索，由于地球上的元素就那么多種，路子就走不寬，所以一定要著手于復雜的結構。說起來容易，但這么多化合物，真正尋找起來猶如大海撈針。

突破：從液氦溫區到液氮溫區，第一個高溫超導體被發現

轉機出現在將近10年后。

1986年9月底，IBM蘇黎世實驗室的貝德諾茲（J.G.Bednorz）和繆勒（K.A.Müller）在一本不太起眼的學術雜志上宣稱，發現了鋇鑭銅氧化物在35K（約-238.15℃）的環境下呈現超導現象。當時的國際學界對此看法不一，懷疑這是否又是一次“狼來了”。但趙忠賢敏銳察覺到這篇論文不同以往，在10月初開始了對鋇鑭銅氧化物的研究。

“由于我們這10年的積累，使得我們認識到結構不穩定性和高溫超導的關系。所以當我們看到瑞士科學家的文章以后，立刻就產生了共鳴。我們抓緊重復他們的結果，并且要思考怎樣在這個基礎上找到更高臨近溫度的超導體。”趙忠賢接受采訪時表示。

那時候日本和美國的幾個實驗室也都在嘗試。1986年11月13日，日本最先傳來消息，東京大學的田中昭二教授證實了貝德諾茲和繆勒的實驗結果。各個實驗室都進入激烈的競爭狀態，鉚足勁要帶來更具突破性的進展。

1986年12月，趙忠賢與同事也第一次在鑭鋇銅氧系統中，觀察到起始溫度為70K（約-203℃）的超導轉變跡象，這已經離77K（約-196℃）液氮溫區不遠了。-196℃的液氮溫區意味著制冷難度和成本的大幅度降低，液氮的價格只有液氦的幾十分之一，可以像打熱水一樣一次打一熱水瓶。

1987年Ba-Y-Cu-O 超導材料的電阻率和交流磁化率轉變曲線。

全世界尋找高溫超導的熱情又一次被點燃了，此后捷報頻傳。1987年2月19日深夜，趙忠賢在釔鋇銅氧化物中發現了臨界轉變溫度93K（約-180℃）的液氮溫區超導體，實驗結果可以重復。趙忠賢也成為國際物理學界口中的“北京的趙”，他的研究使得便宜好用的液氮可以取代原本昂貴的液氦來創造超導所需的低溫環境。

又一突破：第二類高溫超導體被發現

此后超導家族除了已發現的金屬和合金超導體、銅氧化物超導體、重費米子超導體、有機超導體外，沒有新發現，整個領域再次沉寂。

不過1986年高溫超導材料的發現改變了一個年輕人的命運，此后他也為超導領域續寫出新的故事。“當時國內在超導領域有幾個主要的研究單位，包括趙忠賢院士所在的物理所，中國科學技術大學的物理系，還有北京大學、南京大學等等。”陳仙輝說，“在杭州讀研究生的時候，剛好趕上1986年的高溫超導。”

陳仙輝于1963年3月出生于湖南湘潭，1979年參加高考進入宜春學院，畢業時剛剛19歲進入了中學教書，陳仙輝說，“剛開始無憂無慮像小孩一樣。”一次教學學習機會，陳仙輝去了江西南昌和浙江杭州，當時他就有一個念頭，不應該再待在宜春，必須走出來的。然后他就決定考研究生，進入了杭州大學。

因為高溫超導領域的突破性進展，那時候還是24歲在杭州大學（現浙江大學）讀研一的陳仙輝如愿作為聯合培養的碩士研究生，前往中國科大應用化學系錢逸泰和陳祖耀實驗室學習。“沒有高溫超導，也不會有今天我坐在這里跟各位交流了，1986年的高溫超導就是我發展到現在的一個契機。”陳仙輝語氣中不無感慨。

2008年2月，日本科學家叫細野秀雄公布其發現一種新的超導物質鐵砷化合物LaOFeAs，其在26K的臨界溫度下顯示出超導性。這項研究的吸引不在于26K（約-247.15℃），而在于打破了原來廣泛存在的觀點——鐵元素意味著磁性，對超導的形成只會起反作用。

自此，鐵基超導材開始得到重視。“2008年之前，非常規高溫超導體只有一類，就是銅氧化物超導體。但這22年里對于銅氧化物超導體的機理等相關科學問題并不能清楚解釋，而如果更多種類的高溫超導體出現，那么通過發現其共性就能更好理解非常規超導體，即BCS理論不能解釋的這一類超導體。”陳仙輝說。

3月底，突破性的進展很快出現。陳仙輝團隊率先將SmFeAsO1-xFx體系的超導溫度在常壓下提高到43K（-230.15℃），突破了傳統超導體40K的麥克米蘭極限。

陳仙輝說，“如果一個超導體的臨界溫度高于40K，那就是一個BCS理論可能不能解釋的體系，可能屬于非常規超導體。我們的工作就證明了鐵基超導體是繼銅氧化物高溫超導體之后的第二個非常規高溫超導體，至今也只有這兩類。”

緊隨其后，也是在3月底，趙忠賢團隊成功在PrFeAsO1-xFx中將鐵基超導體的超導轉變溫度提高到52K，隨后于4月在SmFeAsO1-xFx實現了鐵基超導體塊體材料中的最高轉變溫度55K（-218.15℃）并合成出系列50K以上鐵基超導體。

2008年，《科學》（Science）評選的年度世界十大科技進展就將鐵基高溫超導體的發現（包括日本和中國科學家的工作）納入其中。

2008年合成的系列鐵基超導體電阻-溫度轉變曲線。

“從1911年的4.2K臨界溫度，到1986年臨界溫度不到24K（約為-249.15℃）的高溫超導體，這中間經歷了75年。也就是說人類這么多科學家在這個領域工作，75年只將超導溫度提高了20K。但在1986年銅氧化物超導體發現以后，到現在常壓下的超導轉變溫度達到132K（約-141.15℃）。相對前面不到24K，一下子就突破了100多K。”陳仙輝接受采訪時說道。

2015年，國際超導材料最高獎——Matthias獎被授予趙忠賢和陳仙輝。

2019年11月趙忠賢、陳仙輝在中國科學技術大學參加“超導新前沿研討會”。

“超導體作為一種量子材料，其獨特的零電阻和完全抗磁性特性，在能源、信息、醫療、交通和電力等領域帶來深刻變革，有極大的應用前景。”未來科學大獎-物質科學獎委員會委員、加州理工學院理論物理教授陳諧介紹，“傳統的超導材料達到超導狀態的轉變溫度都很低（低于-230℃）。高溫超導材料的出現極大地提高了超導現象可以存在的溫度范圍。一方面這為超導材料的大規模應用提供了更多可能性，同時也揭示出形成超導現象的物理機制的復雜性。”

最后的圣杯：為什么要室溫超導？

2008年以后，超導領域的科學家們開始向最終的“圣杯”發起挑戰——尋找室溫超導材料。室溫超導是指在常壓或接近常壓的條件下，在室溫或更高溫度下出現的超導現象，被稱為物理學“圣杯”。

超導材料有兩個特性——零電阻和完全抗磁性，零電阻即電流通過超導體沒有能耗，電阻為零。“從材料的角度來講，它既是一個能源材料，也是一個信息材料。”陳仙輝說，“我們現在的技術發展就是主要三類，一類是能源、信息、生物技術。而超導材料既可以支撐能源技術也能支撐信息技術，具有廣泛的應用，如核磁共振，超導磁懸浮列車。在科學里，可控核聚變的溫度都是上億度以上，沒有材料可以把它約束，那么主要是用超導，托克馬克核聚變實驗裝置加速器里用的電子加速跟控制也需要超導。”

而如果能夠實現常壓室溫下的超導狀態，那么就可以擺脫冷卻系統的束縛，真正大規模使用超導技術。“如果發現室溫超導，它給人們生活帶來的變化將是天翻地覆的。到那個時候，我們出門可以坐上懸浮的超導車，甚至手機、手提電腦充一次電就能用上好幾個月。”陳仙輝設想道，“人類文明可以用材料來劃分，室溫超導材料就可以成為劃分人類社會文明時期的標志性材料。”

這也是每次一有團隊表示自己發現了常壓室溫超導材料，就很容易引起廣泛關注的原因。比如最近的韓國量子能源研究中心公司及相關團隊宣稱銅摻雜鉛磷灰石材料LK-99能夠實現室溫超導。

“可以注意到，LK-99出來剛開始很多人都對其發表意見，而發聲的人基本都是不是真正做超導物理的人，而專業人士必須謹慎。雖然專業人士們很少發言，但是很多這個領域的科學家都在重復他們的結果。”陳仙輝沒有直接發表意見，但也透露出了自己的態度。

他說，“發表科學論文的意義，是要對發表的結果有確切的把握，要在可信可重復的情況下發表。韓國團隊這次這么匆忙，顯然是在不夠嚴謹的情況下就把階段性或者還沒有完全確認的結論拋出來了。”他也補充道，“當然結果如果是真的，那確確實實對于人類來說是一個了不得的進展，因為它是室溫超導還是那么高的溫度（約127攝氏度）。”

對于記者的提問，趙忠賢則回應得更為直接，“我認為這個工作跟超導沒什么關系。（中國科學院）物理研究所雒建林小組的相關工作，我認為解釋得比較明白。做科研工作一定要謹慎，不要著急。這篇論文學術上對我沒什么影響，不受到干擾就行了。”

“我認為要尋找室溫超導體，還需要從新機制下手，這就是現在我們正在努力的一個方向。”趙忠賢對澎湃科技（www.6773257.com）說道。