超 導(dǎo)：一個(gè)依然充滿挑戰(zhàn)與發(fā)現(xiàn)的領(lǐng)域
——趙忠賢院士答問(wèn)錄
中科院院士、超導(dǎo)物理學(xué)家趙忠賢在接受采訪時(shí)認(rèn)為：發(fā)現(xiàn)室溫超導(dǎo)體是科學(xué)家的夢(mèng)想
書(shū)寫(xiě)物理新篇章
記 者：1911年4月8日荷蘭物理學(xué)家卡末林·昂內(nèi)斯（Kamerlingh Onnes）在研究汞等金屬低溫下的電阻行為和規(guī)律時(shí)，偶然發(fā)現(xiàn)了物質(zhì)攜帶電流卻不造成損失的所謂超導(dǎo)的能力。超導(dǎo)電性的確定后被認(rèn)為是對(duì)傳統(tǒng)概念的重大突破。今年適逢超導(dǎo)電性發(fā)現(xiàn)百年，國(guó)際學(xué)術(shù)界在各地舉行了很多的紀(jì)念活動(dòng)。不知您如何看超導(dǎo)百年？
趙忠賢（中科院院士、中科院物理研究所研究員）：當(dāng)時(shí)物理學(xué)正處于從經(jīng)典物理學(xué)向現(xiàn)代物理學(xué)、特別是向量子力學(xué)的過(guò)渡時(shí)期。超導(dǎo)電性是第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的宏觀量子現(xiàn)象，從一開(kāi)始就引起了科學(xué)界的極大關(guān)注。為紀(jì)念超導(dǎo)發(fā)現(xiàn)一百周年我也曾寫(xiě)了篇短文（參見(jiàn)《物理》2011年第6期《百年超導(dǎo)，魅力不減》），在這里結(jié)合其他學(xué)者的論述再談點(diǎn)看法。超導(dǎo)電性的理論與實(shí)驗(yàn)研究已經(jīng)成為物理學(xué)中的一個(gè)重要分支，與超導(dǎo)有關(guān)的諾貝爾獎(jiǎng)已經(jīng)頒發(fā)了5次。闡明金屬和合金的超導(dǎo)電性的微觀理論（即BCS理論），不僅是對(duì)超導(dǎo)電性的認(rèn)識(shí)的深化，也在核物理、粒子物理以及宇宙學(xué)等方面產(chǎn)生了影響。銅氧化合物超導(dǎo)體（也稱(chēng)之為高溫超導(dǎo)體）和近年發(fā)現(xiàn)的鐵基超導(dǎo)體帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的BCS超導(dǎo)理論不能解釋這兩種高溫超導(dǎo)電性的起源。銅氧化合物超導(dǎo)體和鐵基超導(dǎo)體的微觀機(jī)理的解決將會(huì)把凝聚態(tài)物理研究推入新的階段，在凝聚態(tài)物理以至物理學(xué)方面書(shū)寫(xiě)新的篇章。對(duì)銅氧化合物超導(dǎo)電性的微觀機(jī)理的研究已經(jīng)進(jìn)行了20多年，吸引了一批一流的物理學(xué)家。雖然取得了很大的進(jìn)展但還未能得到共識(shí)。難度確實(shí)很大，但巨大的挑戰(zhàn)也正是極好的機(jī)遇。
在應(yīng)用方面，20世紀(jì)50—60年代，一批有實(shí)用價(jià)值的合金超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)以及約瑟夫森效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，掀起了低溫超導(dǎo)技術(shù)研發(fā)的熱潮，在某些方面的應(yīng)用已經(jīng)發(fā)揮了不可替代的作用。例如基于超導(dǎo)隧道效應(yīng)的電壓基準(zhǔn)已經(jīng)取代了化學(xué)電池的電壓基準(zhǔn)，儀器磁體（包括醫(yī)用的和科研用的核磁共振成像磁體和加速器、磁約束受控核聚變等大型的科學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置用的磁體）以及微弱電磁信號(hào)檢測(cè)等。但與同時(shí)處于研發(fā)高潮的激光技術(shù)相比，超導(dǎo)體的應(yīng)用還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。
應(yīng)用研究潛力大
記 者：說(shuō)起超導(dǎo)，很多人都會(huì)想起上世紀(jì)80年代后期在世界多個(gè)國(guó)家涌動(dòng)的高溫超導(dǎo)研究熱潮，那時(shí)好像不時(shí)聽(tīng)到有新的超導(dǎo)臨界溫度紀(jì)錄被打破，在中國(guó)，您領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)也是這場(chǎng)科學(xué)競(jìng)爭(zhēng)的重要參與者。不知您如何評(píng)價(jià)自那以后超導(dǎo)研究的發(fā)展？
趙忠賢：是的。80年代后期，銅氧化合物超導(dǎo)電性被發(fā)現(xiàn)，因其臨界溫度突破了液氮溫區(qū)，激發(fā)了更大規(guī)模的世界性的超導(dǎo)研究熱潮。20多年來(lái)，雖然高溫超導(dǎo)機(jī)理研究還沒(méi)有取得突破性進(jìn)展，但應(yīng)用研究領(lǐng)域卻得以拓展。一批很有潛力的大型高溫超導(dǎo)樣機(jī)已制備成功，如全超導(dǎo)的示范配電站、35000kW的超導(dǎo)電機(jī)等，移動(dòng)通信基站上也使用了幾千臺(tái)高溫超導(dǎo)濾波器。但是高溫超導(dǎo)的商品還是太少。應(yīng)該指出的是，超導(dǎo)電性作為宏觀量子態(tài)具有極為特殊的物理性質(zhì)和極大的應(yīng)用潛力。超導(dǎo)體是“開(kāi)源節(jié)流”的能源材料，可用于超導(dǎo)電力、交通運(yùn)輸、大科學(xué)工程等方面，在能源方面有著巨大的應(yīng)用潛力。有人認(rèn)為，21世紀(jì)電力工業(yè)的技術(shù)儲(chǔ)備有兩個(gè)，一個(gè)是超導(dǎo)，另一個(gè)是智能電網(wǎng)。而后者在某些方面也需要超導(dǎo)材料。超導(dǎo)材料也是新一代的艦船推動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)材料以及磁約束受控核聚變不可替代的制備強(qiáng)磁體的材料。另外，超導(dǎo)磁懸浮列車(chē)也具有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。超導(dǎo)體也應(yīng)用于信息、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。
基于超導(dǎo)體隧道效應(yīng)的器件能夠檢測(cè)出相當(dāng)于地球磁場(chǎng)幾億分之一的變化，世界上找不到比它更靈敏的電磁信號(hào)檢測(cè)器件。世界上最快的模數(shù)轉(zhuǎn)換器和最精密的陀螺儀都已由于超導(dǎo)體的應(yīng)用得以實(shí)現(xiàn)了。據(jù)20世紀(jì)90年代的超導(dǎo)企業(yè)高峰會(huì)議預(yù)測(cè)，2020年與超導(dǎo)有關(guān)的產(chǎn)值可以達(dá)到2000億美元?，F(xiàn)在看來(lái)達(dá)到這個(gè)預(yù)期還有很大距離，關(guān)鍵在于成本和需求。為解決這兩個(gè)問(wèn)題，一是要發(fā)展和改進(jìn)現(xiàn)有實(shí)用超導(dǎo)材料的制備工藝，提高制冷系統(tǒng)的性能，以實(shí)現(xiàn)高可靠性和低成本的目標(biāo)；二是開(kāi)拓和培育市場(chǎng)。當(dāng)然從長(zhǎng)遠(yuǎn)的角度來(lái)看，探索新的更適于應(yīng)用的超導(dǎo)材料是十分必要的。因此，對(duì)于超導(dǎo)的應(yīng)用研究與開(kāi)發(fā)應(yīng)該從戰(zhàn)略性高度予以重視。
超導(dǎo)未來(lái)更可期
記 者：前不久的美國(guó)《科學(xué)》雜志和近期的英國(guó)《自然》雜志以及我國(guó)物理學(xué)會(huì)主辦的《物理》雜志等均推出紀(jì)念超導(dǎo)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)百年的專(zhuān)題，對(duì)超導(dǎo)的未來(lái)充滿期待。作為從事探索高溫超導(dǎo)體35年的科學(xué)家，您怎么看超導(dǎo)的未來(lái)？
趙忠賢：我在閱讀這些紀(jì)念和回顧百年超導(dǎo)的發(fā)展進(jìn)程史的文章時(shí)，除對(duì)奉獻(xiàn)者的崇敬之外，還從中學(xué)到很多東西。一是堅(jiān)韌不拔獻(xiàn)身科學(xué)和報(bào)效社會(huì)的精神，二是不斷地提高實(shí)驗(yàn)技術(shù)水平和分析的能力。最重要的是敢于在概念上的突破，或者說(shuō)是敢于創(chuàng)新。學(xué)習(xí)前人的‘重見(jiàn)解’、‘尚新知’的傳統(tǒng)，同時(shí)也有責(zé)任積極推動(dòng)超導(dǎo)應(yīng)用以造福人類(lèi)。
科學(xué)家從超導(dǎo)發(fā)現(xiàn)伊始就一直在堅(jiān)持探索新超導(dǎo)體。這些探索帶來(lái)的效果包括：新的實(shí)用超導(dǎo)材料、很有物理研究?jī)r(jià)值的新超導(dǎo)體、非超導(dǎo)但很有價(jià)值的新材料、新的工藝技術(shù)的發(fā)展，甚至開(kāi)辟新的研究領(lǐng)域。發(fā)現(xiàn)室溫超導(dǎo)體是科學(xué)家的夢(mèng)想。室溫超導(dǎo)體能否找到，既沒(méi)有成功的理論肯定，也沒(méi)有成功的理論否定。而事實(shí)上，臨界溫度一直在提高，新的超導(dǎo)體不斷地被發(fā)現(xiàn)。如果找到室溫超導(dǎo)體，那么其影響和意義是難以估量的。
總之，雖然超導(dǎo)電性的研究已有百年歷史，但依然年輕。超導(dǎo)已經(jīng)開(kāi)始造福人類(lèi)并有著廣泛的應(yīng)用前景，21世紀(jì)一定會(huì)有新的技術(shù)成為經(jīng)濟(jì)的新增長(zhǎng)點(diǎn)。如果在超導(dǎo)材料方面有新的重大突破則有可能成為這類(lèi)新技術(shù)的候選者。對(duì)超導(dǎo)電性的深入認(rèn)識(shí)一直推動(dòng)著量子力學(xué)和物理學(xué)的發(fā)展，高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)又帶來(lái)了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。這是一個(gè)依然充滿挑戰(zhàn)與發(fā)現(xiàn)的領(lǐng)域，中國(guó)科學(xué)家應(yīng)該也能夠?yàn)槿祟?lèi)的文明做出新的、無(wú)愧于我們先人的貢獻(xiàn)。
[訪問(wèn)者為本刊特約記者江世亮]
·趙忠賢簡(jiǎn)介·
趙忠賢，中科院物理研究所研究員，超導(dǎo)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任，一直從事低溫物理與超導(dǎo)電性研究。1976年開(kāi)始探索高溫超導(dǎo)體的研究,內(nèi)容涉及第Ⅱ類(lèi)超導(dǎo)體的磁通釘扎與臨界電流問(wèn)題、非晶態(tài)合金的超導(dǎo)電性；1983年開(kāi)始研究氧化物超導(dǎo)體BPB系統(tǒng)及重費(fèi)米子超導(dǎo)性,1986年在Ba-La-Cu-O系統(tǒng)研究中,注意到雜質(zhì)的影響,并于1987年參與發(fā)現(xiàn)了液氮溫區(qū)超導(dǎo)體。1987年趙忠賢團(tuán)隊(duì)小組獨(dú)立地發(fā)現(xiàn)了液氮溫度超導(dǎo)體,并首先向世界上公布了其化學(xué)成份Ba-Y-Cu-O。這一研究成果推動(dòng)了很多國(guó)家的超導(dǎo)研究。
迄今發(fā)表60多篇學(xué)術(shù)論文，1986年獲第三世界科學(xué)院物理獎(jiǎng)，1988年獲首屆陳嘉庚物質(zhì)科學(xué)獎(jiǎng)，1988年獲中國(guó)科學(xué)院科技進(jìn)步特別獎(jiǎng)，1990年獲國(guó)家自然科學(xué)一等獎(jiǎng)，1991年當(dāng)選為中國(guó)科學(xué)院院士，1992年獲首屆王丹萍科學(xué)獎(jiǎng)，1997年獲何梁何利科技進(jìn)步獎(jiǎng)。
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