國家自然科學一等獎「40K以上鐵基高溫超導體的發現及研究」——
鐵基超導的中國突破
本報記者喻思孌
連續3年空缺的國家自然科學一等獎，今年有了歸屬。以趙忠賢、陳仙輝、王楠林、聞海虎、方忠為代表的中國科學院物理研究所/北京凝聚態國家實驗室(籌)(以下簡稱「物理所」)和中國科學技術大學(以下簡稱「中科大」)研究團隊因為在「40K以上鐵基高溫超導體的發現及若干基本物理性質研究」方面的貢獻摘得這一殊榮。
鐵基高溫超導體的發現，突破了傳統理論的限制，將我國在該領域的研究推向世界最前沿，也有望激活超導體潛在的應用前景。
超導，全稱超導電性，是指某些材料在溫度降低到某一臨界溫度，或超導轉變溫度以下時，電阻突然消失的現象。具備這種特性的材料稱為超導體。
中科院院士、項目完成人之一的趙忠賢介紹說，超導體的兩個基本性質是零電阻和抗磁性，這些不尋常的特性使其在科學研究、信息通訊、能源存儲、交通運輸、生物醫學等領域均有重大的應用前景。
超導研究在科學上的重要性，吸引了無數科學家的目光，在超導研究百年歷史上，10人獲得了5次諾貝爾獎。「當前，擺在科學家面前的一個難題是，找到更高臨界溫度、更適於應用的超導體。」趙忠賢說。
1968年，物理學家麥克米蘭根據傳統理論計算推斷，超導體的轉變溫度一般不能超過40K(約零下233攝氏度)，這個溫度也被稱為麥克米蘭極限溫度。
人類對超導的應用是否確實只能被限制在40K以下？40K的極限溫度能否被突破？為了探索這個問題，科學家們做了無數次嘗試。1986年，兩名歐洲科學家發現以銅為關鍵超導元素的銅氧化物超導體，很快包括中國科學家在內的研究團隊將銅氧化物超導體的臨界轉變溫度提高到液氮溫區以上，突破了麥克米蘭極限溫度，使其成為高溫超導體。
中科大教授、項目完成人之一的陳仙輝表示，銅氧化物高溫超導體家族有兩個主要缺陷，作為金屬陶瓷材料加工工藝嚴苛，綜合成本高，影響廣泛應用。此外，銅基超導並沒有解決高溫超導電性機理豐富的物理內涵。
要揭開高溫超導的原理，廣泛應用，尋找到臨界溫度更高的超導體勢在必行。
2008年2月下旬，日本化學家細野在四方層狀的鐵砷化合物中發現存在轉變溫度為26K的超導電性，但因為沒有突破麥克米蘭極限溫度，還不能確定是鐵基為高溫超導體。
機遇給有準備的頭腦。基於長期的研究經驗，趙忠賢敏銳意識到，類似結構的鐵砷化合物中很可能存在系列高溫超導體。
此後，趙忠賢小組等研究團隊，在該領域全力探索。2008年3月，中科大陳仙輝研究組和物理所王楠林研究組同時在鐵基中觀測到了43K和41K的超導轉變溫度，突破了麥克米蘭極限，證明了鐵基超導體是高溫超導體;不久後，趙忠賢研究組利用高壓合成技術高效地製備了一大批不同元素構成的鐵基超導材料，轉變溫度很多達到50K以上的，並創造了55K的鐵基超導體轉變溫度紀錄。經國際物理學界公認，鐵基超導正式成為新一類高溫超導體。
再接再厲，我國科學家還對鐵基超導體若干基本物理性質進行了深入研究，確認了它的非常規性。鐵基高溫超導研究震撼科學界，《科學》雜誌專題評述指出：中國如洪流般湧現的研究結果標誌著，在凝聚態物理領域，中國已經成為一個強國。
2013年2月，中國科學院國家科學圖書館統計顯示，世界範圍內鐵基超導研究領域被引用數排名前20的論文中，9篇來自中國，其中7篇來自該研究團隊。
「如果沒有多年的積累，我們不一定能抓住鐵基超導的機遇。」趙忠賢說，在5名獲獎科學家背後，有著一支龐大、默默奉獻的研究團隊，他們都曾在我國鐵基超導體的研究中做出過貢獻。
他說，超導要實現規模化的商業應用，還需改進現有實用超導材料的製備工藝，提高製冷系統的性能，提高可靠性，降低成本，這些方面還有很多工作值得研究。
「令人欣慰的是，超導研究已經在中國扎了根，如果有一天超導又有新的突破，我相信一定有我們中國人。」趙忠賢說。