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[!--downpath--]10月28日，2023腾讯科学WE会议特邀中国科大学教授、中国低温超导研究奠基人之一赵忠贤，中国科大学教授、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，诺贝尔数学学奖得主、“起源联盟”负责人迪迪埃·奎洛茲，沃尔夫物理奖得主、网状物理之父奥马尔·亚基，国际知名抗衰老遗传学家、三院教授琳达·帕特里奇，东莞学院上海生物医学工程大学院长蒋乐伦，带来全球基础科学前沿突破。
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仰观宇宙之大，俯察品类之盛。我们到底生活在一个如何的世界？是哪些打造了这个世界？
早在公元前6世纪的古埃及时期，哲学家泰勒斯记录了世界上的两个神奇现象：一是磨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求电磁现象，人类文明的进程加速前进，现在，人类再也离不开“电”与“磁”了。
神奇的现象催生科学思索，科学研究迸发探求未知。化学学家在研究材料在高温下的导电行为中，发觉了神奇的超导现象，它具备绝对零内阻和完全抗磁性的两大神奇特性，将可能改变整个世界，例如能源、通信、健康、交通等方方面面。
去年以来，“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，再到未来的温度超导，超导科学走过极为不平凡的公路。此次，腾讯科学WE会议约请到中国科大学教授、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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超导新发觉
20世纪初，数学学正处在从精典数学学向现代数学学，非常是向量子力学过渡的时期，一个忽然的发觉轰动了整个数学学界。
1911年，波兰化学学家海克·卡末林·昂内斯继1908年实现氢气液化——他成为世界上第一个把握4K以下高温技术的科学家以后，在研究高温下的汞的内阻行为时发觉：在室温增加到4.2K（﹣269℃）时，汞忽然步入一种新状态，即内阻为零。这一现象在1913年被即将确认，被叫做“超导电性”。
高温技术对于超导发觉是转折性的改变，在许多化学学家疏于找寻更多具有“超导电性”的超导材料时，美国化学学家瓦尔特·迈斯纳在美国构建了世界第三大氢气液化气，并跨入超导研究行列。22年后的1933年，迈斯纳和他的中学生罗伯特·奥克森菲尔德有了新发觉，她们在对金属圆球做磁场分布检测时发觉，一个理想的超导体，它内部的磁感应硬度等于零。
迈斯纳效应
完全抗磁性成为超导体的又一个特点，被叫做“迈斯纳效应”。科学家定义：同时具有零内阻效应和完全抗磁性两个独立化学性质的材料，才可以称为超导体。
这几乎改变了数学学研究的迈向，自随后百余年，超导数学基础不断筑牢、超导家族成员不断扩大。超导科学研究也大致分为两支：一支是阐明背后机理，解决超导特点的关键科学问题；一支是发觉新的超导材料并探求应用。
一项重大的科学取得突破，燃起了科学家们的热情和期盼，一代又一代顶级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岁的日本化学学家约翰·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、、首字母简写而命名），这完全从理论上解释了金属超导材料中观察到的各类现象，例如零内阻、比热容跃变等奇特性质。现在，BCS理论被公觉得是量子场论理论进展的一个里程碑，它除了清晰地描述了超导的微观化学图象，其概念也被运用于数学学的其他领域。
BCS理论不断丰富，成为了超导领域最重要的支撑理论。
但是，风潮很快散去，迷惘和疑惑困惑着科学家们，超导临界气温无法提高，仍然须要高昂的液氦高温维持，大规模应用无从谈起，理论框架一直未能突破……许多人热情不再，渐次谢幕。
直至20世纪七八十年代，低温超导的发觉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，她们在狭小的实验室里、自造的电炉里创造了记录、改写了历史。
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中国迈向舞台
赵忠贤是在全球超导研究“低谷期”时步入这一领域的。1973年，赵忠贤被派往美国剑桥学院进修，并接触到了世界超导研究最前沿。那时，超导气温记录仍然突破不了40K（约-233.15℃），一直被限定在“麦克巴黎极限”中。
所谓麦克巴黎极限，是科学家麦克巴黎按照BCS理论估算结合实验数据推算，觉得常压下金属及合金超导临界气温最高不可能超过40K，因而40K便被叫做超导体临界体温的“麦克巴黎极限”。
30多岁被“超导”吸引的赵忠贤却深信能找到更高临界体温的超导体。1975年末回到中国科大学数学研究所以后，赵忠贤竭力投入了低温超导体的研究中，核心目标就是找寻高临界体温的超导材料。
一个初出茅庐的年青人，挑战科学界几乎所公认的“定论”，这太大胆了！莫非不是天方夜谭吗？指责声纷至沓来。
1977年，赵忠贤在《物理》杂志上发表文章，剖析了麦克巴黎理论中的片面性，低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求，因为月球上的元素就这么多种，路子就走不宽，所以一定要着手于复杂的结构。”赵忠贤说。
虽然是有限的简单元素，也可以排列组合出不计其数的复杂化合物，在无望的希望中找寻可能，赵忠贤带着团队阔别了六年，不断找寻超导材料。累了，她们就在桌子椅子上靠一靠，饿了，就煮碗炒面。那时的科研条件明天难以想像，赵忠贤追忆，经费和设备是现今的1%，实验条件更是落后发达国家30年。
“别看如今这个样品不超导，新的超导体很可能就诞生在下一个样品中。”在最困难的时侯，团队成员们相互鼓励着。
假如科学家看得更远一点，那一定离不开站在巨人的右臂上。在这期间，1986年来自法国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-氧体系里发觉了临界气温在35K（约-238.15℃）左右的低温超导零内阻征兆和抗磁性结果。
当初的三天，赵忠贤像往常一样到数学所图书馆查资料，读到了柏诺兹和缪勒的论文近代物理实验论文，论文中提及的杨-泰勒效应可能导致低温超导现象，与他当初提及的结构不稳定可能形成低温超导思想不谋而合。
赵忠贤和团队立刻开始重复试验。当时的实验设备非常狭小，烤制氧化物样品的电炉是自己绕制搭建的，检测内阻和磁化率的设备也是在液氦杜瓦的基础上扩建的。她们很快率先重复了柏诺兹和缪勒的工作，发觉了铜氧化物材料超导临界气温仍有提高的可能性。
短短几个月时间里，中、日、美三国科学家鏖战在实验室，找寻到液氮温区的低温超导材料——临界气温超77K（约-196℃）的超导材料。经过反复实验，激奋人心的时刻出现在1987年2月19日凌晨，赵忠贤和团队决定再烧一次样品，把垃圾筐里打算丢弃的“可能的坏样品”也翻下来，X-Y记录仪上出现了“久违”的理想讯号——93K（约-180℃）左右的超导电性。
在此期间，德国多伦多学院院长朱经武、日本东京学院团队几乎同时独立在铜氧化合物作出90K以上的超导电性。临界气温从35K到90K以上，意味着低温超导体可能是普遍存在的，迸发了科学家冲击温度超导的决心和信心，超导的大规模应用也显得不这么遥不可及。这一类超导体被称为“铜基超导体”。
1987年3月，全球化学学界最大的学术大会——美国十月大会，特地专门筹建“高临界气温超导体研讨会”，3000多名世界各地的化学学家塞满了1100人容量的报告厅，赵忠贤受邀在会议作特邀报告，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。回到上海后，赵忠贤发觉家里的煤球烧完了，马上骑上四轮车拉煤去了，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化学学奖。柏诺兹说：“赵院长及其朋友们的研究成果是举世瞩目的，谢谢她们为世界科技的发展和超导研究做出重要贡献。”
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大会和刊物上，也成为了不少青年中学生追逐的“偶像”。1987年，中国科大学数学研究所超导国家实验室（现超导国家重点实验室）组建。以实验室为核心近代物理实验论文，幅射全省，一大批青年中学生和年青人自此加入了低温超导研究。
国际上，铜氧化物低温超导材料、技术、性能等得到了爆发式的飞越发展。但是，实验结果错综复杂，理论解释众说纷纭，低温超导机理仍是迷雾重重，BCS理论其实也颇具局限。
超导电性由谁控制？库伯对能隙怎样产生？哪些影响了超导态的产生？等一系列问题还须要经过严格的实验和理论审视。在热浪渐渐散去的过程中，有的团队解散了，有人干脆退出超导领域。
“当时似乎碰到了困局，但我深信，低温超导研究有潜力，未来必定有重大突破。”赵忠贤在“冷板凳”上一坐又是20年。
2008年2月，英国东京工业学院院长细野秀雄发表论文，宣布发觉一类新型超导材料镧-氧-铁-砷-氟体系，在临界气温26K时形成了超导电性，这一类铁砷化合物后来被叫做“铁基超导体”。
赵忠贤提出了低温高压合成结合轻稀土元素取代的方案，率领团队用淘换来的设备做实验，一台被你们称作“土炮”的压机坏了修、修了坏，当时67岁的赵忠贤率领年青人几乎熬夜工作。
很短的时间，她们先后作出了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。很快她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℃）最高临界气温纪录并保持至今。
2008年从3月到4月，在中国院校和研究所的实验室里，一群年青的科学家们奋勇合成并研究新的超导体，铁基超导体材料不断成功，以天的频度刷新着临界体温。
日本《科学》杂志评论说，“中国如洪流般不断涌现的研究结果，标志着在汇聚态化学领域中国早已成为强国”。
为何中国学者在短时间内成为低温超导领域的领导者之一？
在科学家们看来，在低温超导领域，中国学者常年坐得“冷板凳”，早已培养了一批不怕吃苦、有经验和勇于突破的年青团队。良好的科学气氛也是促进中国低温超导机制迈向世界前列的重要诱因之一，在中国科大学数学研究所的办公室、楼道内、食堂里、球场上，随时随地都有人在讨论着数学问题。
有科学家透漏，当初在一次工会活动时，中国科大学数学研究所研究员王楠林提到在细野秀雄的论文里镧-氧-铁-砷材料的阻值存在一个拐折点，但并没有哪些物理解释。同为中国科大学数学研究所研究员方忠从事理论研究，他立即强调了可能是密度波有序态引起的。两人一拍即合，充分结合实验数据和理论估算,很快就发觉这类材料具有多套费米面，由于铁原子的特殊性，极有可能存在载流子密度波序，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否认。
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超导迈向千家万户
为何科学家们执著地找寻不同的超导体材料？为何超导体的临界气温被“刷新”得一高再高？甚至，超导科学家们有一个终极梦想，那就是发觉温度超导（气温在300K，也即27℃左右）！
缘由，就在于它的需求与应用前景无限宽广。
◆能源环境领域：超导电缆可实现无耗损输电，超导极低频感应加热将传统的交流感应加热效率从40%提高到80%，极大增加了金属加工炼铁的能量耗损，为实现节能降耗贡献力量。目前已有大城市实用化案例，为现代电网节省煤耗，推动碳中和。“人造小太阳”磁约束可控核聚变的实现必须依赖于小型超导磁极，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，目前正在攻破的14T核磁共振将达到20微米左右帧率。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市级/镇级诊所，惠及我国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侦测，以及基于超导加速磁极的紧凑型重离子加速器，将为医疗确诊和医治提供新的解决方案。
◆通信领域：超导的量子隧穿效应非常敏感，且与材料性质和环境状态无关，约瑟夫森隧洞电流早已成为电流基准，在日常生活中已默默发挥了“基石”作用。超导混频器为实现高保真的无线电通信提供了保障，超导单光子侦测器是实现远距离量子通信的“秘密装备”。
据悉，超导技术在天文、储能、量子估算等领域也有着广泛的应用。
“我国的超导研究多次入选国外外奖项，从基础研究到应用研究早已产生完整链条，规模化产业应用亟需发展，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，促进中国超导走向新的辉煌。
作者档案
韩扬眉｜《中国科学报》记者
（本文谢谢中国科大学化学所研究员罗会仟的支持）
10月28日，腾讯科学WE会议上，赵忠贤教授及数位全球顶级科学家将为你们分享前沿科学突破。