董文凱 熊衛(wèi)民
摘 要 趙忠賢是中國高溫超導(dǎo)研究的重要推動者和踐行者。他從1976年開始在國內(nèi)推動和開展高溫超導(dǎo)研究,取得了發(fā)現(xiàn)液氮溫區(qū)銅氧化物超導(dǎo)體和超導(dǎo)臨界轉(zhuǎn)變溫度在50K以上鐵基超導(dǎo)體等重要創(chuàng)新成果。他兩度榮獲國家自然科學(xué)獎一等獎,2017年又獲得國家最高科學(xué)技術(shù)獎。通過對趙忠賢個人經(jīng)歷的考察,發(fā)現(xiàn)他在科研上能夠不斷取得突破與其敏銳的物理直覺、前沿的學(xué)科訓(xùn)練以及優(yōu)秀的科研組織能力息息相關(guān)。基于趙忠賢的科研特點(diǎn),提出了“科學(xué)領(lǐng)航人”的概念,并探討了特征。
關(guān)鍵詞 趙忠賢 高溫超導(dǎo) 國家最高科學(xué)技術(shù)獎 科學(xué)領(lǐng)航人
中圖分類號 N092∶O4
文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A
收稿日期:2024 -02 -15
作者簡介:董文凱,1994年生,河南鹿邑人,江蘇科技大學(xué)馬克思主義學(xué)院講師,研究方向?yàn)橹袊F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)史。熊衛(wèi)民(通訊作者),1974年生,湖南南縣人,北京科技大學(xué)特聘教授,研究方向?yàn)橹袊F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)史。xiongweimin@ustb .edu .cn。
基金項(xiàng)目:江蘇科技大學(xué)“2022年引進(jìn)博士科研啟動費(fèi)”項(xiàng)目(項(xiàng)目編號:1082932205)。
“超導(dǎo)”是超導(dǎo)材料或超導(dǎo)體的簡稱,因具有零電阻的特性而得名?!案邷爻瑢?dǎo)”是指具有較高超導(dǎo)臨界轉(zhuǎn)變溫度(以下簡稱Tc)的超導(dǎo)體。中國的高溫超導(dǎo)研究起步于20世紀(jì)50年代末,但真正快速發(fā)展則是在20世紀(jì)70年代下半期以后。趙忠賢從1976年初即開始在國內(nèi)推動和開展高溫超導(dǎo)研究。在1986—1987年銅氧化物超導(dǎo)體研究的國際競爭中,他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)較早地在世界上發(fā)現(xiàn)液氮溫區(qū)銅氧化物超導(dǎo)體,并率先公布新超導(dǎo)體的成分,其團(tuán)隊(duì)獲得1989年的國家自然科學(xué)獎一等獎。1991年,他當(dāng)選為中國科學(xué)院學(xué)部委員。銅氧化物超導(dǎo)體研究熱潮過后,趙忠賢繼續(xù)堅(jiān)守高溫超導(dǎo)領(lǐng)域,不斷深耕,并于2008年3月,在鐵基高溫超導(dǎo)研究領(lǐng)域,再次斬獲佳績。2014年,他又一次作為主要完成人獲得國家自然科學(xué)獎一等獎。
趙忠賢在幾十年的科研生涯中不斷取得重要突破的原因是什么?他為何能成為中國高溫超導(dǎo)領(lǐng)域的領(lǐng)航人?本文基于對趙忠賢學(xué)習(xí)和科研經(jīng)歷的考察,對以上問題展開討論和分析,以期對中國的基礎(chǔ)研究創(chuàng)新人才培養(yǎng)有所啟示。
一 早期成長和科研經(jīng)歷
趙忠賢于1941年1月出生在遼寧省新民縣。上小學(xué)時,他就對自然科學(xué)產(chǎn)生了濃厚的興趣。在一次自然課上,老師做了一個老鼠生理活動與氧氣濃度關(guān)系的實(shí)驗(yàn)。當(dāng)增加氧氣時,老鼠表現(xiàn)的很活躍,當(dāng)減少氧氣時,老鼠變得越來越怠惰。這個現(xiàn)象觸動了他,“使我對自然界產(chǎn)生了濃厚的興趣”[1]。上中學(xué)后,趙忠賢更好學(xué)了。例如,在學(xué)習(xí)平面幾何課程時,他常常嘗試用各種不同的方法解幾何習(xí)題,“結(jié)果搞得床上、地上到處畫得都是各種幾何題的證明”,他回憶道,這種對新鮮事物的激情以及思考問題的學(xué)習(xí)方式,潛移默化地影響了他后來的科研生涯[2]。
1959年的一天,趙忠賢在高中班主任的桌子上發(fā)現(xiàn)一本中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)(以下簡稱中科大)的招生簡章。當(dāng)了解到趙忠堯、錢學(xué)森和華羅庚等眾多著名科學(xué)家在此校執(zhí)教時,他便決定報(bào)考中科大。同年9月,趙忠賢以優(yōu)異的成績進(jìn)入中科大。
中科大創(chuàng)辦于1958年。為了發(fā)揮中國科學(xué)院的科研和人才優(yōu)勢,該校采用“全院辦校,所系結(jié)合”的辦學(xué)模式——各個研究所的一線科學(xué)家親自登臺講授基礎(chǔ)課。例如,吳有訓(xùn)、嚴(yán)濟(jì)慈等人講授普通物理,華羅庚、關(guān)肇直、吳文俊等人講授高等數(shù)學(xué)。經(jīng)過科學(xué)大師的精心教導(dǎo),趙忠賢打下了堅(jiān)實(shí)的數(shù)理基礎(chǔ)。進(jìn)入大學(xué)四年級后(當(dāng)時中科大的學(xué)制為五年),“出于對低溫世界的濃厚興趣,他以第一志愿選擇低溫物理作為自己的研究方向”[3]。中科大的低溫物理專業(yè)由中國科學(xué)院物理研究所(以下簡稱物理所)的低溫物理室負(fù)責(zé)對接。中國低溫和超導(dǎo)學(xué)科奠基人的洪朝生洪朝生(1920-2018),北京人,物理所研究員,中國低溫和超導(dǎo)學(xué)科的開拓者,1980年當(dāng)選為中國科學(xué)院學(xué)部委員。親自為該專業(yè)學(xué)生開設(shè)低溫技術(shù)課,而中國超導(dǎo)學(xué)科的另一位奠基人——管惟炎管惟炎(1928-2003),江蘇如皋人,物理所研究員,中國超導(dǎo)學(xué)科奠基人之一,1980年當(dāng)選為中國科學(xué)院學(xué)部委員。為他們開設(shè)超導(dǎo)物理課。他們將國際上最新的低溫、超導(dǎo)學(xué)科知識和相關(guān)研究成果融入教學(xué)中,保證了課程內(nèi)容的前沿性和高水準(zhǔn)[4]。同時,中科大還強(qiáng)調(diào)寬口徑培養(yǎng)人才,在學(xué)生掌握深厚數(shù)理知識和專業(yè)知識的基礎(chǔ)上,鼓勵他們積極參與科研實(shí)踐活動。大學(xué)一年級,趙忠賢就曾與同學(xué)到實(shí)驗(yàn)室開展實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。進(jìn)入最后一個學(xué)年,他到了中國低溫和超導(dǎo)研究的發(fā)源地物理所,在管惟炎親自指導(dǎo)下開展畢業(yè)論文設(shè)計(jì),論文題目為“用超導(dǎo)體獲得均勻磁場”,這是當(dāng)時非常前沿的研究課題[5]。名師指導(dǎo)及物理所系統(tǒng)的科研訓(xùn)練為趙忠賢之后獨(dú)立開展科研工作打下了良好的基礎(chǔ)。
1964年,完成學(xué)業(yè)后的趙忠賢被分配到物理所低溫物理室工作。他先是參加了由洪朝生組織的超導(dǎo)計(jì)算機(jī)器件研制任務(wù)1959年,洪朝生提出“獲得超導(dǎo)轉(zhuǎn)換溫度在80K以上超導(dǎo)體”的研究課題,這是國內(nèi)最早開展的有關(guān)高溫超導(dǎo)體的研究課題。超導(dǎo)計(jì)算機(jī)器件的研制是該課題的子課題之一。,大膽地將半導(dǎo)體的光刻技術(shù)應(yīng)用于超導(dǎo)器件的制備,這項(xiàng)工作一直持續(xù)到1966年。之后,趙忠賢領(lǐng)導(dǎo)開展了單極和雙極斯特林制冷機(jī)的國防研制任務(wù)。這對剛參加工作不久的他來講,是一項(xiàng)不小的挑戰(zhàn)。為了能夠按時完成任務(wù),趙忠賢經(jīng)常加班加點(diǎn),遇到不懂的地方,就到中國科學(xué)院圖書館查找資料。為了聯(lián)系材料加工業(yè)務(wù),他還要經(jīng)常出差。1969年,趙忠賢小組研制的單極2W/38K制冷機(jī),成功冷卻了電子工業(yè)部第11研究所的紅外激光雷達(dá),使其野外聯(lián)試取得成功[6]。1972年,他又作為負(fù)責(zé)人之一承擔(dān)了為微波量子放大器的應(yīng)用研制微型致冷機(jī)的國防任務(wù)[7]。這項(xiàng)工作開展后不久,趙忠賢就接到了到英國進(jìn)修超導(dǎo)物理的通知。
二 劍橋大學(xué)進(jìn)修超導(dǎo)物理
1972年3月13日,中英兩國建立大使級外交關(guān)系。同年5月25日,由英國皇家學(xué)會會長艾倫·霍奇金(A . Hodgkin)等人組成的代表團(tuán)與中方代表在中國科學(xué)院舉行會談,決定恢復(fù)中英兩國之間的科技交流[8]。當(dāng)時,在周恩來總理的支持下,中國預(yù)備建立粒子加速器,發(fā)展高能物理學(xué)科。通過選派科學(xué)家代表團(tuán)到美國和歐洲等地考察的方式,獲知國際上的高能粒子加速器已開始使用超導(dǎo)磁體[9]。在此背景下,趙忠賢獲得了到英國劍橋大學(xué)進(jìn)修超導(dǎo)物理的機(jī)會。
1974年2月,趙忠賢到劍橋大學(xué)冶金與材料科學(xué)系超導(dǎo)組進(jìn)修。他的合作導(dǎo)師艾維茲(J . Evetts)的整個研究組都在開展第II類超導(dǎo)體的量子磁通釘扎和量子磁通線的運(yùn)動問題研究。同事邀請趙忠賢一起合作,但他覺得還是自己單獨(dú)做一個研究題目比較合適。他認(rèn)為,“別人都研究線性運(yùn)動。而非線性運(yùn)動的問題誰也說不清楚……但從非線性到線性過渡這塊總可以有研究的價值吧”[10]。趙忠賢選擇了第II類超導(dǎo)體在非線性區(qū)到線性區(qū)過渡區(qū)間的磁通運(yùn)動問題作為研究課題。
趙忠賢極其刻苦地開展研究,因設(shè)備距離較遠(yuǎn),他幾乎每天以近10公里的路程來回奔忙于調(diào)試設(shè)備、觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間。不到一年,趙忠賢就發(fā)現(xiàn)了“第II類超導(dǎo)體量子磁通線在不可逆過程中,從非線性區(qū)到線性區(qū)轉(zhuǎn)變的臨界點(diǎn)和臨界電流呈線性關(guān)系”的重要結(jié)果([2],頁437)。但艾維茲卻對其產(chǎn)生懷疑——前面已有不少人做過相關(guān)研究,均未發(fā)現(xiàn)這個結(jié)果。為了證明自己的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠,在一位同事的建議下,趙忠賢重新選用薄的香煙紙片作為試驗(yàn)材料,最終重復(fù)出了令艾維茲滿意的結(jié)果。趙忠賢離開劍橋大學(xué)后,艾維茲讓一名博士后繼續(xù)從事他的研究,相關(guān)工作最終在國際刊物上發(fā)表,并署上了他的名字,這也是趙忠賢在國際期刊上參與發(fā)表的第一篇學(xué)術(shù)論文[11]。1975年9月中旬,他與其他十幾位進(jìn)修生一起乘火車從蘇聯(lián)轉(zhuǎn)乘回國。
三 踏上高溫超導(dǎo)研究之路
從劍橋大學(xué)回國后,物理所所長施汝為詢問趙忠賢接下來的研究計(jì)劃。趙忠賢認(rèn)為,此時物理所的實(shí)驗(yàn)條件尚不適合開展在劍橋大學(xué)時所做的工作,而“探索高臨界溫度超導(dǎo)材料”課題不僅物理內(nèi)涵豐富,且具有較大的應(yīng)用價值。之后,他就踏上了尋找高溫超導(dǎo)材料的漫漫長路。
1 . 開展高溫超導(dǎo)研究
從1976年開始,物理所低溫物理室以趙忠賢為首,聯(lián)合所內(nèi)其他3個兄弟研究室,開始在國內(nèi)開展高溫超導(dǎo)材料的探索工作,并“力爭做出些成果來”[12]。他們當(dāng)時主要的研究方向包括A -15型超導(dǎo)體的超導(dǎo)機(jī)制研究和以Pd -H系材料為中心的高德拜溫度元素化合物的超導(dǎo)材料研制。同時,他還積極通過雜志向國內(nèi)同行介紹高溫超導(dǎo)研究的意義及其國際進(jìn)展,并在調(diào)研大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,提出了探索高溫超導(dǎo)體的幾種可能途徑[13]。翌年,在管惟炎和洪朝生等人的努力下,“探索高溫超導(dǎo)體”課題被列為中國凝聚態(tài)物理規(guī)劃的五個重點(diǎn)研究方向之一,中國的高溫超導(dǎo)研究就此全面展開。1979年2月2日,物理所決定將低溫物理室的509組獨(dú)立為超導(dǎo)體研究室,由李林擔(dān)任室主任,趙忠賢擔(dān)任副主任。同年3月,物理所制定了1979—1980年重點(diǎn)研究項(xiàng)目,將“高臨界溫度超導(dǎo)體研究”列為其中的項(xiàng)目之一[14]。
由于科研條件不足、經(jīng)費(fèi)短缺等原因,趙忠賢等人的研究重點(diǎn)放在了總結(jié)高溫超導(dǎo)體的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律方面。1978年,夏沃爾相(Chevrel Phase)超導(dǎo)體發(fā)現(xiàn)后,在國際上很快掀起一陣研究熱潮。國外超導(dǎo)學(xué)者歸納了與夏沃爾相超導(dǎo)化合物Tc有關(guān)的3條經(jīng)驗(yàn)規(guī)律,但鑭系的夏沃爾相超導(dǎo)化合物無法較好地適用。趙忠賢等人就根據(jù)他們過去研究超導(dǎo)化合物的經(jīng)驗(yàn),觀察夏沃爾相超導(dǎo)化合物的Tc與鑭系原子共價半徑的關(guān)系,提出了一系列猜想,同時也預(yù)言了產(chǎn)生高于目前Tc超導(dǎo)體的化合物成分,他們的猜想于1979年9月投遞給《科學(xué)通報(bào)》[15],后來被休斯敦大學(xué)的朱經(jīng)武(C . W . Chu)和貝爾實(shí)驗(yàn)室的施密特(P . H . Schmidt)等人的實(shí)驗(yàn)所證實(shí),后兩者還專門給物理所寫信索取論文的復(fù)印件。趙忠賢到美國開展學(xué)術(shù)交流時,收到他們的邀請做了相關(guān)報(bào)告。不過,該工作讓他也感到稍有遺憾:“我們本來也想做這幾個化合物的試驗(yàn)工作,因?yàn)槲茨芘竭@幾個稀土元素,使工作擱置下來。”[16]
除了對現(xiàn)有超導(dǎo)體開展理論研究外,趙忠賢還參與了對新高溫超導(dǎo)體的實(shí)驗(yàn)探索工作。1980年1月至1982年4月,超導(dǎo)體研究室的羅棨光、金作文等人開展了Ti -Pd系超導(dǎo)合金的電性研究。趙忠賢在其中負(fù)責(zé)工作指導(dǎo)和參與討論。經(jīng)過兩年多的研究,他們在材料制備上取得一系列重要成果,如在國際上首次合成出新型晶態(tài)和新型非晶態(tài)超導(dǎo)體Ti80Pd20。此外,在非晶態(tài)超導(dǎo)體中還發(fā)現(xiàn)了尺寸效應(yīng)的反常現(xiàn)象,這一現(xiàn)象為探索新高溫超導(dǎo)體提供了有益借鑒[17]。上述結(jié)果發(fā)表后不久便引起一些國際同行的關(guān)注[18]。
2 . 參與國際高溫超導(dǎo)學(xué)術(shù)交流
在從事高溫超導(dǎo)研究的同時,趙忠賢還積極與國際同行開展學(xué)術(shù)交流。1978年,他參加了在法國舉辦的第15屆國際低溫會議。會議期間,趙忠賢與著名物理學(xué)家約翰·巴?。↗ . Bardeen,1908—1991)約翰·巴丁是美國伊利諾伊大學(xué)香檳分校教授,曾兩次榮獲諾貝爾物理學(xué)獎。就尋找高溫超導(dǎo)體的方向問題展開討論。1957年,巴丁等人解決了傳統(tǒng)超導(dǎo)體的超導(dǎo)電性微觀理論問題即BCS理論,它是以近自由電子模型為基礎(chǔ),在弱電-聲子相互作用的前提下建立起來的理論。。此后,為進(jìn)一步尋找提高Tc的方法,1973年,他又與阿連德(D . Allender)和布雷(J . Bray)兩人合作提出了ABB激子超導(dǎo)模型[19]。該模型表明,如果用質(zhì)量更小的準(zhǔn)粒子代替聲子,就能使超導(dǎo)體的Tc顯著提升,而這種準(zhǔn)粒子的最佳對象就是半導(dǎo)體中的激子。盡管當(dāng)時尚未發(fā)現(xiàn)激子超導(dǎo)體實(shí)際存在的跡象,但趙忠賢基于對非晶半導(dǎo)體的了解,提出了通過“類液態(tài)非晶態(tài)與類點(diǎn)陣非晶態(tài)半導(dǎo)體的界面”獲得激子超導(dǎo)體的可能途徑([2],頁440)。這一想法被巴丁肯定為一個“good idea”,并在回國后給他寄去了相關(guān)文獻(xiàn)。在巴丁的鼓勵下,趙忠賢與北京大學(xué)的韓汝珊等人合作,在ABB激子超導(dǎo)模型的基礎(chǔ)上提出了ACS激子超導(dǎo)體。他們的研究表明,在晶態(tài)和非晶態(tài)半導(dǎo)體的界面上,只要有足夠的載流子濃度,就很容易形成激子超導(dǎo)ABB系統(tǒng)。相關(guān)結(jié)果于1979年發(fā)表在《自然雜志》上[20]。
1984年11月至1985年12月,趙忠賢到美國艾奧瓦州立大學(xué)(Lowa State University of Science and Technology)的艾姆斯實(shí)驗(yàn)室從事零磁場超導(dǎo)管中的磁通湮滅問題研究。不過,他當(dāng)時的研究興趣仍然在高溫超導(dǎo)領(lǐng)域。1986年的1到3月,他又去了休斯敦大學(xué)朱經(jīng)武的課題組參加氧化物超導(dǎo)體的短期合作研究([2],頁440)。這次合作結(jié)束后不久,國際上便掀起了銅氧化物超導(dǎo)體的研究熱潮。
3 .組織中國高溫超導(dǎo)研究隊(duì)伍
從1976年3月開始,趙忠賢和物理所同事陸續(xù)聯(lián)系一些物理學(xué)者這些學(xué)者包括南京大學(xué)的蔡建華、龔昌德,復(fù)旦大學(xué)的周世勛,以及中科大的吳杭生等人。,以期推動國內(nèi)的高溫超導(dǎo)研究。雖然那時他還只是一名研究實(shí)習(xí)員,但因?yàn)閯倧膰饣貋?,具有較為寬廣的學(xué)科視野,使得這些學(xué)者都非常歡迎他的到來。同年6月,中國科學(xué)院在長沙組織召開第二屆全國低溫與超導(dǎo)學(xué)術(shù)會議。在這次會議上,主持者管惟炎提出:“雖然我國在超導(dǎo)材料研究上已接近國際水平,但基礎(chǔ)研究拿不出東西來?!蓖跣聵s,劉兵 . 管惟炎傳[Z] . 鄭宗爽藏, 1989 .他呼吁參會者要重視這方面的工作,尤其是對高臨界溫度超導(dǎo)體的研究。這一提議很快便得到中科大、南京大學(xué)等十幾家參會單位的回應(yīng),經(jīng)他們共同商議,決定在當(dāng)年底召開一次探索高臨界溫度超導(dǎo)體的討論會。
1976年12月,在趙忠賢等人的組織下,“第一屆全國探索高臨界溫度超導(dǎo)體討論會”(以下簡稱高溫超導(dǎo)討論會)在合肥中科大召開。在這次會議上,參會人員首先確定了我國高溫超導(dǎo)體研究的十年目標(biāo),即將超導(dǎo)體的Tc提高至30K(當(dāng)時國際上獲得的最高Tc為23 .2K)。會議內(nèi)容主要包括兩部分:一是學(xué)術(shù)報(bào)告討論會。由于探索高溫超導(dǎo)體在國內(nèi)尚屬新興課題,參會人員在這方面的研究經(jīng)驗(yàn)較為缺乏,他們就利用第二屆全國低溫與超導(dǎo)學(xué)術(shù)會議結(jié)束后的半年時間,開展相關(guān)文獻(xiàn)調(diào)研,并在這次討論會上進(jìn)行報(bào)告和深入討論。二是規(guī)劃研究課題。在報(bào)告討論的基礎(chǔ)上,擬定二三年內(nèi)的課題研究方向,并根據(jù)各單位的研究特色,如“有的理論強(qiáng),有的實(shí)驗(yàn)條件好,有的搞材料,有的搞分析,有的搞基礎(chǔ)理論,有的搞冶金焙煉”管惟炎 . 1976年全國第一次高溫超導(dǎo)會發(fā)言稿[Z] .鄭宗爽藏, 1976 .,各單位之間開展廣泛的分工協(xié)作,避免不必要的重復(fù)工作。值得一提的是,這次會議得到的資助僅有800元,會議條件相當(dāng)艱苦,但科研人員的研究熱情異常高漲,中國的高溫超導(dǎo)研究隊(duì)伍逐步建立起來。
之后,在趙忠賢等人的組織下,這個會議持續(xù)舉辦,截至1986年11月共舉辦了6次(每兩年舉辦一次)。在之后的幾次會議上,有過出國學(xué)術(shù)交流經(jīng)驗(yàn)的人員充分介紹和探討了國際超導(dǎo)研究的前沿,較好地開拓了國內(nèi)超導(dǎo)學(xué)者的思路和視野(由于外匯緊張,20世紀(jì)80年代國內(nèi)學(xué)者出國交流的機(jī)會并不多)。如在1984年的第5次會議上,趙忠賢與陸果合作了“重費(fèi)米子超導(dǎo)體”的特約報(bào)告。張?jiān):闾岬竭@場報(bào)告對他的啟發(fā):“國內(nèi)搞重費(fèi)米子,最早是我搞的,可我一開始并不了解重費(fèi)米子是怎么回事,是他(趙忠賢)從國外開會帶回來的一次報(bào)告,講到了重費(fèi)米子,后來我就在這方面做了一些工作?!倍膭P訪談張?jiān):阍菏浚?021年2月1日,合肥市科學(xué)島張?jiān):阍菏哭k公室。 正如會議主要組織者趙忠賢所說,“這一系列會議……對于促進(jìn)學(xué)術(shù)交流,提高研究水平,堅(jiān)定信心,培養(yǎng)人才,都起到了極為重要的作用”[21]。
四 發(fā)現(xiàn)液氮溫區(qū)銅氧化物超導(dǎo)體
1986年1月,國際商業(yè)機(jī)器公司的物理學(xué)家柏諾茲(J .G .Bednorz)和繆勒(K .A .Müller)發(fā)現(xiàn)了一種Tc在30K左右的新型銅氧化物超導(dǎo)體——LaBaCuO(鑭鋇銅氧),突破了此前世界上已知超導(dǎo)體的最高Tc。同年4月,他們撰寫論文并向聯(lián)邦德國的《物理學(xué)報(bào)》(Zeitschrift für Physik B)投稿。趙忠賢于10月初讀到這篇文章后,立即就意識到了它的重要性。根據(jù)以往的研究經(jīng)驗(yàn),他認(rèn)為,這種氧化物中Cu3+和Cu2+之間的巡游電子可能導(dǎo)致姜泰勒效應(yīng)(Jahn -Teller effect)的出現(xiàn),使晶體的晶格發(fā)生畸變,從而產(chǎn)生高Tc的超導(dǎo)電性[22]。而該文章沒有給出超導(dǎo)體的另一重要性質(zhì)——完全抗磁性,“可能是多晶陶瓷樣品中超導(dǎo)成份少”的原因[23]。趙忠賢很快便找到對陶瓷化合物和單晶生長有研究經(jīng)驗(yàn)的陳立泉和黃玉珍,后又加上對高溫超導(dǎo)研究感興趣的同事崔長庚,臨時成立一個4人研究小組,對該論文進(jìn)行驗(yàn)證并開展相關(guān)研究,趙忠賢為項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人。到12月底時,趙忠賢等人通過元素替代、改變原料配比等方式,合成出一系列LaSrCuO(鑭鍶銅氧)和LaBaCuO材料樣品,并在其中兩個樣品中發(fā)現(xiàn)了48 .6K和46 .3K的Tc,這是當(dāng)時世界上最高的Tc紀(jì)錄。而更加令人興奮的是,他們甚至在LaBaCuO系列的樣品中多次觀察到70K以上的超導(dǎo)跡象,相關(guān)論文于1987年1月14日提交給《科學(xué)通報(bào)》[24]。12月27日,《人民日報(bào)》以頭版頭條對此進(jìn)行了報(bào)道[25]。由于70K已接近液氮溫度,是實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)工業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵一步,因此,國內(nèi)外媒體和科學(xué)家對此事都較為關(guān)注。《紐約時報(bào)》評:“如果確實(shí)的話,這個成果可列為現(xiàn)代中國在實(shí)驗(yàn)物理學(xué)方面的第一個重要成果?!保?6] 由于這一消息是通過媒體對外公布的,也使得一些國際同行對趙忠賢等人的結(jié)果持質(zhì)疑態(tài)度。
在國內(nèi)外廣泛關(guān)注造成的壓力下,自12月27日后,趙忠賢等人不斷嘗試重復(fù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。他們通宵達(dá)旦地工作,“沒有床,困得實(shí)在受不了的時候,就在桌子上躺一躺或在椅子上靠一會兒打個盹兒,醒了就繼續(xù)做實(shí)驗(yàn)”([2],頁442)。1987年1月初,趙忠賢帶領(lǐng)小組繼續(xù)制備LaBaCuO體系的單相樣品,但獲得的樣品Tc均在40K左右,沒能再觀察到70K的超導(dǎo)跡象。到了1月底,他們想到先前做出70K超導(dǎo)跡象的樣品原料生產(chǎn)于20世紀(jì)50年代,因此開始懷疑原料的雜質(zhì)因素。經(jīng)化學(xué)成分分析表明,先前使用的原料的確含有其他稀土雜質(zhì)。通過小組討論,他們認(rèn)為,通過元素?fù)诫s的方式,“在多相材料中才有可能找到新的具有更高臨界轉(zhuǎn)變溫度的亞穩(wěn)相”超導(dǎo)體([3],頁182)。于是,從2月6日開始,他們又將注意力轉(zhuǎn)向多相樣品制備,并開展了一系列的稀土元素?fù)诫s和取代工作,尤其是用原子半徑小的鈧、釔、鐿等稀土元素取代鑭[23]。
1987年2月16日,趙忠賢等人從廣播中得知,美國的朱經(jīng)武實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)了Tc達(dá)98K的超導(dǎo)體(但并未公布新超導(dǎo)體的成分),這一消息敦促他們盡快找到當(dāng)前研究的突破口。轉(zhuǎn)機(jī)出現(xiàn)在2月19日中午,在一個成分為YBaCuO(釔鋇銅氧)的樣品中,他們觀察到電阻 -溫度曲線于110K處偏離直線的現(xiàn)象。經(jīng)進(jìn)一步的檢測分析,最終于2月20日凌晨確定該樣品的Tc為78 .5K,這是中國方面發(fā)現(xiàn)的第1塊液氮溫區(qū)超導(dǎo)體。2月21日,《科學(xué)通報(bào)》收到了趙忠賢等人撰寫的相關(guān)論文[27]。緊接著,2月23日,他們又制出第二批樣品,證明其合成工藝具有可重復(fù)性。第二天,中國科學(xué)院在物理所召開新聞發(fā)布會,宣布:物理所趙忠賢、陳立泉等人發(fā)現(xiàn)YBaCuO液氮溫區(qū)超導(dǎo)體。這是國際上首次公布液氮溫區(qū)超導(dǎo)體的成分。發(fā)布會結(jié)束后的第二天,中央政治局委員胡啟立、方毅等中央領(lǐng)導(dǎo)到物理所視察,對他們進(jìn)行了祝賀,稱其證明“中國人有實(shí)力可以自立于世界民族之林”[28]。銅氧化物超導(dǎo)體發(fā)現(xiàn)者之一的柏諾茲獲悉后也表示,“趙教授及其同事們的研究成果是舉世矚目的”趙忠賢:四十年冷板凳 坐出中國的超導(dǎo)強(qiáng)國 .2018年4月,見 https://www .pcpop .com/article/4519538 .shtml .。
1987年3月18日,美國物理學(xué)會在紐約召開高溫超導(dǎo)專題討論會。這是一次受世人矚目的會議,到場的物理學(xué)家超過3000人。趙忠賢作為會議邀請的五位大會報(bào)告人之一,在會場上受到國際媒體的關(guān)注。Science雜志以“超導(dǎo)現(xiàn)象正在發(fā)生”為題對此次會議進(jìn)行了報(bào)道,文中還專門刊登了趙忠賢出席會議的照片[29]。正如超導(dǎo)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任周興江所評價的:“在當(dāng)時這是中國科學(xué)家非常少有的在國際學(xué)術(shù)舞臺上的亮相, 標(biāo)志著中國科學(xué)家在基礎(chǔ)物理研究方面走向了世界的前列。”[30]
液氮溫區(qū)超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)及后續(xù)成果先后獲得1986年第三世界科學(xué)物理獎和1989年國家自然科學(xué)獎一等獎等國內(nèi)外重要獎項(xiàng),趙忠賢當(dāng)選為第三世界科學(xué)院院士(1987)和中國科學(xué)院院士(1991)。
在開展科學(xué)研究的同時,趙忠賢還積極推動國內(nèi)超導(dǎo)研究機(jī)構(gòu)的建立,以進(jìn)一步提升國內(nèi)的超導(dǎo)研究水平。1987年3月,剛從美國參會回來的趙忠賢就聯(lián)合陳立泉向科研部門建議,盡早成立國家超導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室,組織協(xié)作攻關(guān)[31]。5月,物理所向中國科學(xué)院正式提交了《高臨界溫度超導(dǎo)體聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室計(jì)劃任務(wù)書》。7月,國家計(jì)委批準(zhǔn)在物理所籌建國家超導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室[32]。1991年4月,國家超導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室通過專家小組驗(yàn)收,正式掛牌成立。同時,該實(shí)驗(yàn)室被列入國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室行列,正式命名為“超導(dǎo)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”。趙忠賢擔(dān)任實(shí)驗(yàn)室首屆主任。超導(dǎo)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建成以后,擁有眾多國際一流的儀器設(shè)備,相對充裕的科研經(jīng)費(fèi),顯著提升了中國超導(dǎo)物理的科研條件。
在推動中國超導(dǎo)學(xué)科的國際交流方面,他發(fā)揮自己過人的科研組織能力,通過參與組織舉辦1987年北京國際高Tc超導(dǎo)電性學(xué)術(shù)討論會[33]、1989年北京高溫超導(dǎo)體第2次國際會議[34]和1990 年北京國際高溫超導(dǎo)物理講習(xí)班[35]等國際會議,幫助中國超導(dǎo)學(xué)科融入國際主流。
五 鐵基超導(dǎo)研究再創(chuàng)佳績
進(jìn)入20世紀(jì)90年代后,高溫超導(dǎo)領(lǐng)域未再出現(xiàn)新的重大突破,國際上關(guān)于高溫超導(dǎo)體的研究也隨之漸漸陷入低潮。此時,趙忠賢沒有輕易地轉(zhuǎn)變研究方向,而是帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì),一方面專注于銅氧化物高溫超導(dǎo)體的超導(dǎo)電性機(jī)理研究,另一方面則嘗試引入新的材料合成方法繼續(xù)探索高溫超導(dǎo)材料。例如,2000年,他們利用高壓合成法成功制備了Tc達(dá)115K的PrCaBaCuO(鐠鈣鋇銅氧)超導(dǎo)體,為研究Pr -123相化合物的超導(dǎo)電性機(jī)理提供了重要參考[36]。趙忠賢在高溫超導(dǎo)領(lǐng)域的長期堅(jiān)持和積累也為他在鐵基超導(dǎo)研究中取得第二次重要突破奠定了基礎(chǔ)。
2008年1月,日本東京工業(yè)大學(xué)的細(xì)野秀雄(H . Hosono)課題組發(fā)現(xiàn)了Tc達(dá)26K的LaOFeAs(鑭氧鐵砷)超導(dǎo)材料,國內(nèi)超導(dǎo)學(xué)者了解到相關(guān)信息后,迅速跟進(jìn)。3月2日,物理所王楠林課題組率先重復(fù)出了細(xì)野秀雄小組的工作。之后,國內(nèi)外很快掀起鐵基超導(dǎo)體的研究熱潮。美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的辛格(D . J . Singh)等人和美國羅格斯大學(xué)的豪勒(K . Haule)等人分別在3月4日和3月9日計(jì)算了LaOFeAs超導(dǎo)體的電子結(jié)構(gòu),初步揭示該超導(dǎo)體屬于一種不同于銅氧化物超導(dǎo)體的新型高溫超導(dǎo)體[37,38]。趙忠賢帶領(lǐng)的小組不僅具有豐富的超導(dǎo)材料合成經(jīng)驗(yàn),而且“日本小組的報(bào)道與趙忠賢團(tuán)隊(duì)多年形成的思路產(chǎn)生了共鳴”[30]。3月29日,趙忠賢小組利用高壓合成法率先在國際上發(fā)現(xiàn)了Tc超過50K的PrOFeAs(鐠氧鐵砷)超導(dǎo)材料[39]。4月16日,他們又將SmOFeAs的Tc進(jìn)一步提高到55K[40]。這是當(dāng)時已報(bào)道的所有非銅氧化物超導(dǎo)體中的最高Tc。4月25日,Science雜志以“新超導(dǎo)體將中國超導(dǎo)物理學(xué)家推到最前沿”為題發(fā)表了評論文章,指出:“中國如洪流般涌現(xiàn)的結(jié)果,標(biāo)志著中國在凝聚態(tài)物理領(lǐng)域已經(jīng)成為一個強(qiáng)國?!保?1]
為表彰中國科學(xué)家在鐵基超導(dǎo)領(lǐng)域做出的重要貢獻(xiàn),2014年1月,“40K以上鐵基高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)及若干基本物理性質(zhì)研究”獲得2013年國家自然科學(xué)獎一等獎(趙忠賢為第一完成人);2015年,趙忠賢在第11屆國際超導(dǎo)材料與機(jī)理大會上被授予馬蒂亞斯獎(Bernd Matthias Prize),這是超導(dǎo)領(lǐng)域重要的國際獎項(xiàng)。趙忠賢坦然面對這些榮譽(yù),他認(rèn)為,“中國有幾千萬人姓趙,國外ZHAO喊得再多,歸根結(jié)底不過是說一個中國人。如果說爭光,那是給中國爭光了?!敝袊邷爻瑢?dǎo)奠基人趙忠賢院士:因?yàn)樗缮胶?,這件事才能發(fā)生 .2021年3月,見 https://mp .weixin .qq .com/s/N6QEGktyfK_U -Lqb066A -g .
六 取得重要科學(xué)成果的原因
在這長達(dá)50多年的科研生涯中,趙忠賢能夠持續(xù)不斷地產(chǎn)出重要創(chuàng)新成果的原因值得探討。
首先,趙忠賢具有敏銳的物理直覺。這一點(diǎn)早在1974年他去劍橋大學(xué)進(jìn)修時就有所體現(xiàn)。當(dāng)時,他面臨著研究選題的問題。趙忠賢沒有選擇最簡單的方式——直接加入同事正在開展的工作,而是先對大家的課題做了一番了解,經(jīng)過認(rèn)真思考,他找到別人沒有研究過,而同時自己又有可能做出成績的課題,并最終完成了令合作導(dǎo)師刮目相看的結(jié)果。再如,當(dāng)他看到柏諾茲和繆勒的研究論文時,很快便意識到銅氧化物超導(dǎo)體的價值所在,而在當(dāng)時,國際超導(dǎo)界普遍認(rèn)為像銅氧化物這樣的絕緣體中不太可能發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體。這些例子均說明趙忠賢具有極其敏銳的物理直覺,以至于國際著名超導(dǎo)物理學(xué)家朱經(jīng)武稱其在物理學(xué)領(lǐng)域具有“很不尋常的天分”[10]。
其次,趙忠賢接受了超導(dǎo)物理學(xué)最前沿的學(xué)科訓(xùn)練。除了在中科大學(xué)習(xí)期間接受中國超導(dǎo)物理學(xué)兩位奠基人的親自指導(dǎo)外,他還得到了到劍橋大學(xué)這樣國際一流的科研機(jī)構(gòu)進(jìn)修的機(jī)會。在具有國際視野的科學(xué)家的指導(dǎo)下,趙忠賢心無旁騖地從事前沿的超導(dǎo)研究,學(xué)習(xí)他們解決科學(xué)難題的思維和方法,使他打下了比同齡人更堅(jiān)實(shí)的學(xué)科基礎(chǔ)。同時,這次經(jīng)歷也使其結(jié)識了一些國際同行,夯實(shí)了語言基礎(chǔ),使他獲得更多的國際學(xué)術(shù)交流機(jī)會。在這樣一種“馬太效應(yīng)”的加持下,趙忠賢一直活躍在國際超導(dǎo)物理學(xué)的研究前沿。
第三,趙忠賢擁有優(yōu)秀的科研組織能力。他說:“一位優(yōu)秀的學(xué)科帶頭人,還應(yīng)是一位優(yōu)秀的科學(xué)組織家。”[42] 無疑,他也是這樣對自己要求的。早在1976年,他就開始在國內(nèi)組建高溫超導(dǎo)研究隊(duì)伍,并受到包括蔡建華、龔昌德等著名物理學(xué)者的熱情歡迎。后來,在當(dāng)年年底,他又成功組織召開國內(nèi)第一屆高溫超導(dǎo)討論會,參會單位有十幾家,會議日程達(dá)8天之久。在那個年代,為如此規(guī)模的一次會議籌措經(jīng)費(fèi)是相當(dāng)不易的事情,而且他當(dāng)時還只是一名研究實(shí)習(xí)員。后來,這個系列會議在他的組織下,到1986年11月共連續(xù)召開6屆。對于一名科學(xué)家來說,這種過人的科研組織能力同樣是一種難得的品質(zhì)。
機(jī)會總是留給有準(zhǔn)備的人。在敏銳的物理直覺、扎實(shí)前沿的學(xué)科訓(xùn)練以及優(yōu)秀的科研組織能力這些條件均具備的情況下,當(dāng)重要的科學(xué)突破來臨時,趙忠賢自然可以抓住機(jī)會,奮力拼搏,取得一系列重要創(chuàng)新成果。
七 “科學(xué)領(lǐng)航人”
當(dāng)下之中國,在提及杰出科學(xué)家時,經(jīng)常給他們加上“領(lǐng)軍人才”“戰(zhàn)略科學(xué)家”之類的頭銜。前者要帶很大的隊(duì)伍,往往是解決生產(chǎn)實(shí)際問題的技術(shù)專家[43];后者參與國家科技規(guī)劃的制定,服務(wù)國家的戰(zhàn)略需求,往往身居要職,影響力很大[44];二者都對科研經(jīng)費(fèi)的分配有較大的發(fā)言權(quán)。
趙忠賢并不合適戴上這類“帽子”。他在20世紀(jì)70年代末至80年代前期就有了廣泛影響,但當(dāng)時他職位很低,并沒有很大的行政權(quán)力,也沒帶龐大的研究隊(duì)伍,更沒有很多的研究經(jīng)費(fèi)。在獲得國家自然科學(xué)一等獎、當(dāng)上院士之后,他也沒擔(dān)任研究所所長(含副職,下同)、大學(xué)校長、中國科學(xué)院院長之類的職務(wù),他既沒有很大的行政權(quán)力,也沒有帶龐大的隊(duì)伍,他只是一位在科研一線打拼的科學(xué)家。然而,他再次做出了重要成果,并在相當(dāng)程度上引領(lǐng)了中國高溫超導(dǎo)研究的方向。
筆者認(rèn)為,20世紀(jì)50年代的沃森(J . D . Watson)、克里克(F . H . C . Crick),或者更早的法拉第(M . Faraday)、達(dá)爾文(C . R . Darwin)、孟德爾(G . J . Mendel)、愛因斯坦(A . Einstein)等人,他們有共同的特點(diǎn),那就是不具備權(quán)勢,研究隊(duì)伍規(guī)模小,也沒有足夠的研究經(jīng)費(fèi),他們憑借對科學(xué)的熱愛和敏銳的直覺,在有價值的領(lǐng)域(很多時候是他們開辟出來的新領(lǐng)域)探索,做出原始創(chuàng)新成果,贏得聲望,并引來一些早期跟隨者,令新領(lǐng)域得以產(chǎn)出更多的成就。隨著相關(guān)成就,尤其是應(yīng)用成就的不斷產(chǎn)生,引來大量的中期、后期跟隨者。他們不是科學(xué)上的領(lǐng)軍人物、戰(zhàn)略家,而是科學(xué)上的領(lǐng)航人(Scientific Pilot)。
當(dāng)然,趙忠賢的成就還不能與法拉第、達(dá)爾文、孟德爾、愛因斯坦、沃森、克里克等人的相提并論。事實(shí)上,他也不是銅基、鐵基超導(dǎo)體的原創(chuàng)者,而只是這類研究的早期跟隨者、新高度的達(dá)成者。但是,像他這種科學(xué)領(lǐng)航人,是我們國家當(dāng)前所急需的。經(jīng)過數(shù)十年對科學(xué)研究的大規(guī)模投入,目前我國的科研水平已有了很大提升,在不少領(lǐng)域已經(jīng)取得巨大成就。在這個亟待原創(chuàng)成果的年代,對科學(xué)領(lǐng)航人及其早期跟隨者的需要尤其大。原創(chuàng)成果需要經(jīng)費(fèi),但不是用錢能堆出來的。與此相應(yīng),科學(xué)領(lǐng)航人及其早期跟隨者也不是政府能夠輕易培養(yǎng)出來的。我們應(yīng)當(dāng)提供更加自由寬松的環(huán)境,讓創(chuàng)新人才得以成長并脫穎而出。
致謝 在選題階段,得到了中國科學(xué)院大學(xué)王大明教授的鼓勵和建議;在資料搜集階段,中科大張?jiān):阍菏?、物理所王龍研究員、胡欣老師接受了我們的訪談,物理所周興江、鄭宗爽和畢永貞等老師給予我們以幫助。在此一并表示感謝。
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Zhao Zhongxian: A “Scientific Pilot” of High -Temperature Superconductivity in China
DONG Wenkai, XIONG Weimin
Abstract: Zhao Zhongxian has been an important promoter and practitioner of high -temperature superconductivity research in China since 1976 He has made a series of innovative achievements, includingthe discovery of copper oxide superconductors operable at liquid nitrogen temperatures and iron -based superconductors with critical transition temperatures above 50K. He has been awarded the first prize of the National Natural Science Award twice and received the Highest Science and Technology Award in 2017. This paper investigates Zhao Zhongxians career, highlighting that his major achievements are closely related to his keen physical intuition, advanced disciplinary training and excellent organizational ability in scientific research. In addition, based on Zhao Zhongxians experiences, this paper introduces the concept of the “Scientific Pilot” and discussed its defining characteristics.
Keywords: Zhao Zhongxian, high -temperature superconductor, Highest Science and Technology Award, scientific pilot