·“我们现在的技术发展就是主要三类，一类是能源、信息、生物技术。而超导材料既可以支撑能源技术，也能支撑信息技术。人类文明可以用材料来划分，室温超导材料就可以成为划分人类社会文明时期的标志性材料。”

·“我认为要寻找室温超导体，还需要从新机制下手，这就是现在我们正在努力的一个方向。”

(资料图片仅供参考)

从1911年，荷兰莱顿大学的教授海克·卡末林·昂内斯发现超导现象开始，至今112年过去了。虽然只有百余年历史，但通过超导研究直接获得诺贝尔奖的科学家迄今已有10位。

82岁的赵忠贤和60岁的陈仙辉被授予2023未来科学大奖-物质科学奖。8月16日上午，2023未来科学大奖获奖名单揭晓。因对高温超导材料的突破性发现和对转变温度的系统性提升所做出的开创性贡献，我国超导领域的两位关键人物——82岁的赵忠贤和60岁的陈仙辉被授予“物质科学奖”。

高温超导材料（临界温度在40K即零下233℃，以上的超导体）主要有两大类：铜氧化物超导体和铁基超导体。

在铜氧化物方面，赵忠贤领导的团队独立发现了第一个液氮温区的超导材料。在铁基超导体方面，陈仙辉研究组首先将超导转变温度提高到麦克米兰极限之上，证明铁基超导体确实是非常规的高温超导体，而赵忠贤研究组创造并保持了在块状材料中超导转变温度的记录。

在提高超导转变温度的同时，赵忠贤和陈仙辉对于高温超导的物理机制做了大量系统性的研究，在过去数十年内推动了高温超导领域的发展。

在获奖名单公布后，赵忠贤、陈仙辉接受了澎湃科技（www.thepaper.cn）的采访，谈及过往的研究历程，未来的研究方向，也直接回应了当下热议的“室温超导体材料LK-99”的研究。

112年前发现超导，已诞生多位诺奖得主

1908年7月10日，荷兰莱顿大学的教授海克·卡末林·昂内斯如往常一样在实验室进行着他的低温物理学研究。但不同以往的是，在这天下午，他第一次将氦气液化，以﹣269℃（4.2K，K为温度的国际单位开尔文）刷新了人造低温的新纪录。

这一天，极低温物理世界的大门对人类打开。此后1911年，被同行尊称为“零度先生”（人类所能达到的最低温度为绝对零度）的昂内斯又将汞冷却到了4.2K以下，此时他测量到其电阻几乎降为零。这就是超导现象的发现，超导即指材料在低于某一温度（临界温度）时电阻变为零，这意味着电的传输将能最大限度地降低损耗。

电学现象总是和磁学现象相生相伴，超导现象里除了零电阻这个特征外，完全抗磁性就是另一个重要特性，磁共振成像、超导磁悬浮列车等都基于其发展起来。一百多年来，科学家们前赴后继，不断寻找临界温度更高的超导材料，这样的材料才可能降低成本大规模应用。

超导领域的发展过程中可以说有几个关键节点：超导理论的建立、高温超导体的出现，以及现在受到广泛关注的对室温超导的探索。

室温超导材料被称为最后的“圣杯”。至暗时刻：-233.15℃的理论温度上限从发现超导现象开始，如何解释现象背后的物理机制就成为关键问题。在这个探索过程中，出现的比较著名的理论有二级相变理论、伦敦方程、皮帕理论、金兹堡-朗道理论等。对于此后发展影响力最大的是1957年美国物理学家约翰·巴丁、利昂·库珀和约翰·罗伯特·席弗提出电子-声子耦合理论（简称“BCS理论”）。

BCS理论认为，在低温下，金属中的电子之间会形成一种特殊的配对状态，称为库珀对。库珀对之间可以相互作用，形成一个相干态，其可以无阻碍地流动，不受杂质或晶格振动的影响，因此具有零电阻。同时，库珀对也会排斥外部磁场，使得超导体内部没有磁感应强度，这就是完全抗磁性或迈斯纳效应。

然而1968年，美国物理学家麦克米兰根据当时唯一一个成功解释超导现象的BCS理论断定，一般超导体的临界转变温度不可能高于40K（约-233.15℃），这个温度被学界称为“麦克米兰极限”。这也是超导领域的“至暗时刻”，整个领域进入了低谷期。因为如果不能突破“麦克米兰极限”，那么科学家们曾经以为存在的“高温超导体”就是水中月镜中花。

1977年赵忠贤于《物理》杂志发表“探索高临界温度超导体”一文。1977年，36岁的赵忠贤在《物理》杂志上撰文，他指出超导体的临界温度可以达到40—55K（约-233℃—-218℃），甚至在某些情况下可以达到80K（约-192℃）。赵忠贤1941年生于辽宁新民，1959年考入中国科大技术物理系，“当时中国科学技术大学教课的老师都很有名，如数学系是华罗庚先生授课，力学系有钱学森先生，技术物理系有严济慈先生等。郭永怀也是科大的系主任”。赵忠贤对记者回忆道。1964年，他从中国科学技术大学毕业后进入中国科学院物理研究所工作，一直从事低温与超导研究，这篇文章发表时他刚从英国剑桥大学进修回来不久。

赵忠贤当时认为，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。说起来容易，但这么多化合物，真正寻找起来犹如大海捞针。

突破：从液氦温区到液氮温区，第一个高温超导体被发现

转机出现在将近10年后。

1986年9月底，IBM苏黎世实验室的贝德诺兹（J.G.Bednorz）和缪勒（K.A.Müller）在一本不太起眼的学术杂志上宣称，发现了钡镧铜氧化物在35K（约-238.15℃）的环境下呈现超导现象。当时的国际学界对此看法不一，怀疑这是否又是一次“狼来了”。但赵忠贤敏锐察觉到这篇论文不同以往，在10月初开始了对钡镧铜氧化物的研究。

“由于我们这10年的积累，使得我们认识到结构不稳定性和高温超导的关系。所以当我们看到瑞士科学家的文章以后，立刻就产生了共鸣。我们抓紧重复他们的结果，并且要思考怎样在这个基础上找到更高临近温度的超导体。”赵忠贤接受采访时表示。

那时候日本和美国的几个实验室也都在尝试。1986年11月13日，日本最先传来消息，东京大学的田中昭二教授证实了贝德诺兹和缪勒的实验结果。各个实验室都进入激烈的竞争状态，铆足劲要带来更具突破性的进展。

1986年12月，赵忠贤与同事也第一次在镧钡铜氧系统中，观察到起始温度为70K（约-203℃）的超导转变迹象，这已经离77K（约-196℃）液氮温区不远了。-196℃的液氮温区意味着制冷难度和成本的大幅度降低，液氮的价格只有液氦的几十分之一，可以像热水瓶一样打一瓶。

1987年Ba-Y-Cu-O 超导材料的电阻率和交流磁化率转变曲线。全世界寻找高温超导的热情又一次被点燃了，此后捷报频传。1987年2月19日深夜，赵忠贤在钇钡铜氧化物中发现了临界转变温度93K（约-180℃）的液氮温区超导体，实验结果可以重复。赵忠贤也成为国际物理学界口中的“北京的赵”，他的研究使得便宜好用的液氮可以取代原本昂贵的液氦来创造超导所需的低温环境。又一突破：第二类高温超导体被发现

此后超导家族除了已发现的金属和合金超导体、铜氧化物超导体、重费米子超导体、有机超导体外，没有新发现，整个领域再次沉寂。

不过1986年高温超导材料的发现改变了一个年轻人的命运，此后他也为超导领域续写出新的故事。“当时国内在超导领域有几个主要的研究单位，包括赵忠贤院士所在的物理所，中国科学技术大学的物理系，还有北京大学、南京大学等等。”陈仙辉说，“在杭州读研究生的时候，刚好赶上1986年的高温超导。”

陈仙辉于1963年3月出生于湖南湘潭，1979年参加高考进入宜春学院，毕业时刚刚19岁进入了中学教书，陈仙辉说，“刚开始无忧无虑像小孩一样。”一次教学学习机会，陈仙辉去了江西南昌和浙江杭州，当时他就有一个念头，不应该再待在宜春，必须走出来的。然后他就决定考研究生，进入了杭州大学。

因为高温超导领域的突破性进展，那时候还是24岁在杭州大学（现浙江大学）读研一的陈仙辉如愿作为联合培养的硕士研究生，前往中国科大应用化学系钱逸泰和陈祖耀实验室学习。“没有高温超导，也不会有今天我坐在这里跟各位交流了，1986年的高温超导就是我发展到现在的一个契机。”陈仙辉语气中不无感慨。

2008年2月，日本科学家叫细野秀雄公布其发现一种新的超导物质铁砷化合物LaOFeAs，其在26K的临界温度下显示出超导性。这项研究的吸引不在于26K（约-247.15℃），而在于打破了原来广泛存在的观点——铁元素意味着磁性，对超导的形成只会起反作用。

自此，铁基超导材开始得到重视。“2008年之前，非常规高温超导体只有一类，就是铜氧化物超导体。但这22年里对于铜氧化物超导体的机理等相关科学问题并不能清楚解释，而如果更多种类的高温超导体出现，那么通过发现其共性就能更好理解非常规超导体，即BCS理论不能解释的这一类超导体。”陈仙辉说。

3月底，突破性的进展很快出现。陈仙辉团队率先将SmFeAsO1-xFx体系的超导温度在常压下提高到43K（-230.15℃），突破了传统超导体40K的麦克米兰极限。

陈仙辉说，“如果一个超导体的临界温度高于40K，那就是一个BCS理论可能不能解释的体系，可能属于非常规超导体。我们的工作就证明了铁基超导体是继铜氧化物高温超导体之后的第二个非常规高温超导体，至今也只有这两类。”

紧随其后，也是在3月底，赵忠贤团队成功在PrFeAsO1-xFx中将铁基超导体的超导转变温度提高到52K，随后于4月在SmFeAsO1-xFx实现了铁基超导体块体材料中的最高转变温度55K（-218.15℃）并合成出系列50K以上铁基超导体。

2008年，《科学》（Science）评选的年度世界十大科技进展就将铁基高温超导体的发现（包括日本和中国科学家的工作）纳入其中。

2008年合成的系列铁基超导体电阻-温度转变曲线。“从1911年的4.2K临界温度，到1986年临界温度不到24K（约为-249.15℃）的高温超导体，这中间经历了75年。也就是说人类这么多科学家在这个领域工作，75年只将超导温度提高了20K。但在1986年铜氧化物超导体发现以后，到现在常压下的超导转变温度达到132K（约-141.15℃）。相对前面不到24K，一下子就突破了100多K。”陈仙辉接受采访时说道。2015年，国际超导材料最高奖——Matthias奖被授予赵忠贤和陈仙辉。

2019年11月赵忠贤、陈仙辉在中国科学技术大学参加“超导新前沿研讨会”。“超导体作为一种量子材料，其独特的零电阻和完全抗磁性特性，在能源、信息、医疗、交通和电力等领域带来深刻变革，有极大的应用前景。”未来科学大奖-物质科学奖委员会委员、加州理工学院理论物理教授陈谐介绍，“传统的超导材料达到超导状态的转变温度都很低（低于-230℃）。高温超导材料的出现极大地提高了超导现象可以存在的温度范围。一方面这为超导材料的大规模应用提供了更多可能性，同时也揭示出形成超导现象的物理机制的复杂性。”最后的圣杯：为什么要室温超导？

2008年以后，超导领域的科学家们开始向最终的“圣杯”发起挑战——寻找室温超导材料。室温超导是指在常压或接近常压的条件下，在室温或更高温度下出现的超导现象，被称为物理学“圣杯”。

超导材料有两个特性——零电阻和完全抗磁性，零电阻即电流通过超导体没有能耗，电阻为零。“从材料的角度来讲，它既是一个能源材料，也是一个信息材料。”陈仙辉说，“我们现在的技术发展就是主要三类，一类是能源、信息、生物技术。而超导材料既可以支撑能源技术也能支撑信息技术，具有广泛的应用，如核磁共振，超导磁悬浮列车。在科学里，可控核聚变的温度都是上亿度以上，没有材料可以把它约束，那么主要是用超导，托克马克核聚变实验装置加速器里用的电子加速跟控制也需要超导。”

而如果能够实现常压室温下的超导状态，那么就可以摆脱冷却系统的束缚，真正大规模使用超导技术。“如果发现室温超导，它给人们生活带来的变化将是天翻地覆的。到那个时候，我们出门可以坐上悬浮的超导车，甚至手机、手提电脑充一次电就能用上好几个月。”陈仙辉设想道，“人类文明可以用材料来划分，室温超导材料就可以成为划分人类社会文明时期的标志性材料。”

这也是每次一有团队表示自己发现了常压室温超导材料，就很容易引起广泛关注的原因。比如最近的韩国量子能源研究中心公司及相关团队宣称铜掺杂铅磷灰石材料LK-99能够实现室温超导。

“可以注意到，LK-99出来刚开始很多人都对其发表意见，而发声的人基本都是不是真正做超导物理的人，而专业人士必须谨慎。虽然专业人士们很少发言，但是很多这个领域的科学家都在重复他们的结果。”陈仙辉没有直接发表意见，但也透露出了自己的态度。

他说，“发表科学论文的意义，是要对发表的结果有确切的把握，要在可信可重复的情况下发表。韩国团队这次这么匆忙，显然是在不够严谨的情况下就把阶段性或者还没有完全确认的结论抛出来了。”他也补充道，“当然结果如果是真的，那确确实实对于人类来说是一个了不得的进展，因为它是室温超导还是那么高的温度（约127摄氏度）。”

对于记者的提问，赵忠贤则回应得更为直接，“我认为这个工作跟超导没什么关系。（中国科学院）物理研究所雒建林小组的相关工作，我认为解释得比较明白。做科研工作一定要谨慎，不要着急。这篇论文学术上对我没什么影响，不受到干扰就行了。”

“我认为要寻找室温超导体，还需要从新机制下手，这就是现在我们正在努力的一个方向。”赵忠贤对澎湃科技（www.thepaper.cn）说道。

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