新超导体将中国物理学家推向最前沿

以老带新坐热基础研究冷板凳

     1月10日，以赵忠贤、陈仙辉、王楠林、闻海虎、方忠为代表的中国科学院物理研究所（以下称物理所）和中国科学技术大学（以下称中科大）团队，凭借“40K以上铁基高温超导体的发现及若干基本物理性质研究”，获得了国家自然科学一等奖，这是中国自然科学领域的最高奖。

    此前，这一科学成果早已在国际学界名声斐然。国际知名科学刊物《科学》刊发了“新超导体将中国物理学家推到最前沿”的专题评述，其中评价道：“中国如洪流般涌现的研究结果标志着，在凝聚态物理领域，中国已经成为一个强国。”

    这对基础研究相对薄弱的中国来说十分不易。更让人感慨的是，这样一个巨大的科学成果，其9位主要完成人平均年龄只有49岁，倒推到实验完成时的2008年，这一数字还要减去5岁，这还未把平均年龄20多岁的博士生算进去。可以说，在金融管理等实用专业火爆、基础研究专业相对被忽视的今天，仍有很多年轻人坚守在科学路上。

    然而，另一个细节告诉我们，在铁基超导研究登上领奖台之前，自然科学一等奖已经连续3年空缺。这更值得深思：如今的基础研究环境，还能否给年轻人带来向往和激情；对将选专业、找工作作为头等大事的年轻人来说，这还是一个坐冷板凳的时代吗？

    锲而不舍才能突破“失败”

    董靖决定了，重新再烧一个样本。

    这是她一个月来做的第15个决定，几乎两天一个。眼前的这个实验让她“抓狂”。朋友开玩笑说，原来，还真有能把这位物理所女博士难住的时候。

    对2008年那段关于铁基超导研究的经历，董靖记忆犹新，当时她只有27岁。

    超导，全称超导电性，是指某些材料降低到某一临界温度，电阻突然消失的现象。具备这种特性的材料称为超导体。

    科学家麦克米兰根据传统理论计算推断，超导体的转变温度不能超过40K（约零下233摄氏度）。然而，是否人类对超导的应用确实只能被限制在40K以下，还是麦克米兰使用的传统理论本身存在缺陷？40K麦克米兰极限温度是否可能被突破？人们不得而知。

    物理学家要做的是，在一次又一次的实验中去证实或证伪这个问题。

    1986年，两名欧洲科学家发现以铜为关键超导元素的35K铜氧化物超导体，很快包括中国科学家在内的研究团队将铜氧化物超导体的临界转变温度提升到液氮温区以上，突破了麦克米兰极限温度，使其成为高温超导体。

    2007年10月以来，物理所研究员王楠林、陈根富研究组也加入这个研究的序列。也就是在那个时候，在读博士的董靖开始零距离接触了超导。

    此前，在董靖心目中，科学家是一出手就解决问题的“大牛”。但当她烧过几十次样本仍无所获时，她才发现，并非如此。

    打个形象的比喻，如果把最终成型的铁基样本比作月饼，铁就是烧月饼所要的面料，而为了让铁基样本达到“超导”的效果，董靖还要在其中掺杂一些诸如砷在内的金属元素，这就好比是烧月饼添加的馅料和水以符合某种味道，但其比例如何调配，则是实验中不确定的因素，而这还包括需要掌控的火候，烧烤的天数，等等。

    其结果是，在董靖无数次实验里，大部分做出来的都是“豆腐渣式的月饼”。这些看不出形状的样本，一度让她无奈，“怎么会这样？”

    但是，这恰恰是符合科学的。

    任治安是铁基超导研究带头人、中科院院士赵忠贤研究组的主要成员之一。2008年，还没过30岁生日的他，是铁基超导研究9个主要完成人中最年轻的一位。

    相比董靖，他更有一线实验操作经验。他告诉记者，在基础研究中，除了最后出成果的，之前的研究都有一个名字，叫“失败”。

    为爱科学的青年铺条路

    今年已经73岁的赵忠贤虽然是整个团队中年龄最长者，但他却习惯站在年轻人的视角去考虑问题。

    当团队里的年轻科研人员和学生在以做样本的次数和天数为单位，来谈论“失败”时，赵忠贤却常常用“年”来衡量这个问题，给年轻人鼓劲。

    科学家对高温超导探索的第一次高潮可以追溯到上世纪80年代。1986年，铜氧化物高温超导体被发现。随后，由于铜氧化物高温超导体属于陶瓷性材料，复杂的制作工艺使其大规模应用难以实现。上个世纪90年代中后期，高温超导研究随即被“打入冷宫”，相关研究人员纷纷转到其他领域。

    赵忠贤记得，那时想要在各种学术期刊，特别是那些影响大的期刊上发表高温超导论文变得愈发困难。

    “没有好文章”，对于搞基础研究的人似乎是致命的，但赵忠贤却仍然坚守着“冷板凳”。他说，要把这个“冷板凳”坐热了，至少为热爱科学的年轻人铺一条路。

    直到2007年年底，年仅37岁的陈根富从国外回到物理所，并做了个“外人不解”的决定——投入到镧氧铁砷非掺杂单晶体的制备中，这个拗口的专业用词，曾一度被无数国际顶尖物理学家断言为超导体研究的禁区。

    2008年2月下旬，日本化学家细野在四方层状的铁砷化合物中发现存在转变温度为26K的超导电性，但因为没有突破麦克米兰极限温度，还不能确定铁基超导体为高温超导体。

    于是，王楠林和陈根富“敏锐”地利用这一研究方法，冲击铁基超导的最终结果。

    2008年3月，中科大陈仙辉研究组和物理所王楠林研究组分别独立在掺F的SmOFeAs和CeOFeAs中观测到了43K和41K的超导转变温度，突破了麦克米兰极限，率先证明了铁基超导体是高温超导体。

    就像是一次爆发。整个实验做出来，竟不超过3个月。

    不过，没有人比董靖更理解这一过程是何其“艰难”。她说，如果非要从严格意义上来计算整个研究的时间，3个月是远远不够的，且不说她之前为此所作的实验准备，最应该加上的是她的老师王楠林和陈根富在这方面的研究时间，“那就是十几年了”。

    这种说法虽然夸张，却也有一定的道理。

    在董靖眼中，不少科学家就像一个艺术家，他们凭借多年的积累，很快能发现问题所在，并在不经意间就找到“出口”。