知乎日報：獲國家最高科技獎的趙忠賢院士有哪些貢獻？
1 月 9 日上午，國家科學技術獎勵大會在京召開，中國科學院物理研究所趙忠賢院士榮獲 2016 年度國家最高科學技術獎，中共中央總書記、國家主席、中央軍委主席習近平向趙忠賢院士頒獎。
趙忠賢是我國高温超導研究主要的倡導者、推動者和踐行者，為高温超導研究在中國紮根並躋身國際前列做出了重要貢獻，是我國高温超導研究的奠基人之一，也是新中國培養的科學家的傑出代表之一。
神奇的超導
超導(全稱超導電性)，是指某些材料在温度降低到某一臨界值(即超導臨界温度)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。
也許大家並不知道，超導就在我們的身邊：現在醫院裏用的 1.5T 和 3T 的核磁共振成像儀的核心部件是 1.5 特斯拉(磁感應強度的度量單位)或 3 特斯拉的超導磁體;北美地區有幾千台高温超導濾波器服務在手機基站上，與傳統基站相比大大改善了通信質量;2012 年發現“上帝粒子”的歐洲核子中心的大型對撞機中，幾十公里長的超導加速環和多個有幾層樓高的超導探測器都是最關鍵的部件……
超導更有着光明的應用前景。德國利用高温超導磁體的渦流加熱技術，將熱加工鋁材的電能轉化效率提高了 30%。一旦超導技術得到廣泛的應用，將為人類創造相當可觀的效益。日本已計劃在 2027 年開始運行新的新幹線，採用的超導磁懸浮列車時速將達到 500 公里。
在純科學上，超導作為當今物理學界最重要的前沿問題之一也吸引了無數科學家的目光。自 1911 年人類發現超導以來，已頒發 5 次諾貝爾獎給 10 位研究超導的科學家。
其實自 1911 年以來，超導研究中最重要的兩個問題一直是：怎樣找到臨界温度更高、更適於應用的超導體?超導體為什麼會超導?無數優秀的科學家為此前赴後繼，趙忠賢就是其中平凡又傑出的一位。
年輕的科學夢
高中時代，趙忠賢被國家提出的“向科學進軍”的號召深深地影響着。他從一本蘇聯雜誌中瞭解到了很多“老大哥”的新進展，如衞星、火箭、半導體等等。這讓趙忠賢對科學產生了濃厚的興趣，也有了讓中國成為一個科技強國的渴望。
高中畢業時，趙忠賢最初想報考地質專業，為祖國尋找礦產資源，但體檢時被誤診為平足，沒有資格報考。想考哈軍工，因被指反對衞生大躍進而失去報名的機會。在向副校長(兼任班主任)申述政治表現時，偶然被一份招生簡章所吸引，在個別同學的“激勵”下，決定報考地處北京的中國科學技術大學，而且第一和第二志願都是該校。
圖 3：1959 年大學入學留念(北京玉泉路中國科技大學禮堂前)
1959 年，趙忠賢被中國科學技術大學技術物理系錄取，1964 年大學畢業並被分配到中國科學院物理研究所。他滿懷着對祖國科學未來的美好憧憬一干就是五十多年。
有膽識的年輕人
趙忠賢很快在物理所嶄露頭角，併成為所裏重點培養的青年人才。
物理所是新中國超導研究的發源地，趙忠賢被分配在室主任洪朝生先生兼任組長的研究組從事超導研究。文革開始以後，超導研究受到很大影響，大部分基礎研究被迫停止，年輕的趙忠賢作為業務負責人，參加並完成了幾項國防任務。
1973 年，經周總理批示,一批年輕學生和學者被派往國外學習, 趙忠賢被從幹校召回,1974 年到英國劍橋大學進修，接觸到了世界超導研究最前沿。75 年回國後，趙忠賢提出要“探索高臨界温度超導體”(簡稱“高温超導體”)。
圖 4：1975 年春節於劍橋大學
所謂“高温超導體”，是指臨界温度在 40K(約零下 233 攝氏度)以上的超導體。麥克米蘭根據獲 1972 年諾貝爾獎的 BCS 理論計算，認為超導臨界温度最高不大可能超過 40K，他的計算得到了國際學術界的普遍認同，40K 也因此被稱作“麥克米蘭極限”。
經過調研、交流和縝密思考，趙忠賢支持少數理論家對國際廣泛認同的由經典理論推導出的麥克米蘭極限提出的挑戰。1977 年，他在《物理》上撰文闡述自己的觀點，指出結構不穩定性又不產生結構相變可以使臨界温度達到 40-55K，進而提出複雜結構和新機制在某些情況下甚至可以達到 80K。
當時別人都認為趙忠賢實在是太大膽了。物理研究中的低温，通常是用液氦和液氮來實現的。液氮最低只能實現 77K，所以對臨界温度低於 40K 的超導體，只能用貴數十倍的液氦進行研究。1958 年“大躍進”時期，中國沒有液氦，也就沒法研究超導。受當時氛圍的影響，相當一段時間的研究是躍進式的,目標是“躍進”出超過 77K 的“液氮温區超導體”，結果可想而知。所以時隔 20 年後當趙忠賢再次提出 80K 的液氮温區超導體也是可以存在時，大家都還心有餘悸。
但趙忠賢作為當時極少數的“歸國人才”還是得到了支持，開始在全國組織和推廣“探索高臨界温度超導體”研究。截至 1986 年底，他已組織召開了 6 屆研討會。雖然條件艱苦到在被窩裏打老鼠，但他身邊也逐漸有了一批志同道合的同事。
厚積薄發，一鳴驚人
趙忠賢自己也從未想到，在短短几個月裏，他從一名物理所普通研究人員，變成了在國際物理學界代表中國的符號。
1986 年，歐洲科學家柏德諾茲和繆勒發表了鑭 - 鋇 - 銅 - 氧體系可能存在 35K 超導的工作。當時國際上有的超導研究者在關注另一篇論文(該文事後被證明為謬誤)，而趙忠賢和其他少數幾個學者對柏德諾茲和繆勒的論文產生了興趣。該文中提到的“楊 - 泰勒”效應與趙忠賢 1977 年文章中提到的“結構不穩定性又不產生結構相變會導致高的超導温度”產生共鳴，促使他立刻組織團隊，在那個年代科研條件相對簡陋的情況下開始研究銅氧化合物超導體。
1986 年底，趙忠賢的團隊和國際上少數幾個小組幾乎同時在鑭 - 鋇 - 銅 - 氧體系中突破了麥克米蘭極限，獲得了 40K 以上的高温超導體。一時間，世界物理學界可以説是地動山搖，傳統理論的崩塌讓“北京的趙”多次出現在國際著名的科學刊物上。
就在這次突破中，趙忠賢團隊還發現了 70K 的超導跡象，這已經離 77K 液氮温區不遠了。遺憾的是，國外的研究組在同樣的體系中沒有看到 70K 的跡象。
由於當時沒人能夠重複 70K 跡象，海外有學者質疑中國的結果，來信和打電話施壓。趙忠賢他們卻意識到：名義上“同樣的體系”只是基本化學配比相同，但實際成分是不同的—他們的實驗樣品用的原料是 1956 年公私合營的工廠生產的，含有很多雜質。這啓發他們注意到也可能是雜質發揮了某種作用,從而導致 70K 跡象的出現。他們於是開始主動“引入雜質”。 在用鍶取代鋇沒有復現 70K 跡象之後,確定了“在鋇基、多相的體系中、用釔取代鑭”的方案並得以實施，1987 年 2 月 19 日深夜,他們團隊在鋇 - 釔 - 銅 - 氧中發現了臨界温度 93K 的液氮温區超導體，1987 年 2 月 24 日中國科學院數理學部舉行新聞發佈會宣佈了這一發現並在世界上首次公佈了元素組成。25 日的《人民日報》報道了這一消息，世界各大通訊社紛紛轉載，在世界上颳起了一陣液氮温區超導體的旋風。趙忠賢所在集體因此榮獲 1989 年度國家自然科學集體一等獎，他也作為團隊代表獲得了第三世界科學院物理獎。
圖 5：1987 年與關於 YBCO 高温超導電性論文的全體作者在在物理所 A 樓實驗室前合影
趙忠賢等人的成果受到了國際學術界的關注。93K 超導體的發現使柏德諾茲和繆勒“銅氧化合物可能存在 35K 超導性”一文的重要意義凸顯出來，獲得 1987 年諾貝爾物理學獎。為此，授獎公報中還提到了中國的工作。柏德諾茲指出：“趙教授及其同事們的研究成果是舉世矚目的，感謝他們為世界科技的發展和超導研究做出了重要貢獻。”
圖 6：1987 年 9 月人民大會堂，第三世界科學院 Salam 院長授 TWAS 獎
趙忠賢等人的工作大大提升了中國物理學界的國際地位。1987 年，趙忠賢作為五位特邀報告人之一參加了美國物理學會三月會議。中國科學家在國際上有這樣的待遇，在當時是極其罕見的。那次會議後來被稱作“物理學界的搖滾音樂節”—被高温超導突破吸引來的物理學家們擠滿了整個會場，狂熱的場面持續了 7 個多小時。1987 年的三月會議，標誌着中國物理學家走上了世界高温超導研究的舞台。
圖 7：1987 年代表小組作為五個特約報告人之一在美國物理學會三月會議上作報告
再創佳績
在 1987 年的輝煌之後，趙忠賢潛心研究 20 年，終於帶領中國團隊再次引領世界熱潮。
圖 8：1988 年在辦公室
在 87 年取得成績之後，雖然獲得許多獎勵和榮譽，但趙忠賢沒有被衝昏頭腦。他一直對所裏的同事講：我就是一個普通人，我做的就是自己的本職工作。榮譽歸於國家，成績屬於集體，我個人只是其中的一份子。他兢兢業業，一門心思繼續他的高温超導研究。
圖 9：1992 年前後在實驗室工作中
也是在這段時間裏，這個“普通人”踏踏實實地進一步凝練學術思想，他逐漸發展出的新的學術思路又一次成了第二次突破的基礎。在此期間他還推動了超導學科的發展，並培養了一批人才。趙忠賢和陳立泉聯名，向國務院建議成立國家超導實驗室(現超導國家重點實驗室)並獲得批准，趙忠賢擔任了首屆實驗室主任。目前，超導國家重點實驗室已經成為了國際上實力領先的超導研究基地，培養了一大批優秀的超導研究人才。
轉眼間，20 年過去了。2008 年，日本科學家 Hosono 報道在鑭 - 氧 - 鐵 - 砷體系中存在 26K 的超導，與趙忠賢“在具有多種相互作用的四方層狀結構的系統中會有高温超導電性”的新思路是一致的，他立刻意識到這一類鐵砷化合物(後來被稱作“鐵基超導體”)很可能是新的高温超導體。事實上，趙忠賢在 1994 年就研究過結構完全相同的稀土 - 銅 - 硒 - 氧體系，但沒有用鐵。
趙忠賢提出了高温高壓合成結合輕稀土元素替代的方案，帶領團隊很快將鐵基超導體的臨界温度提高到 50K 以上，創造了 55K 的紀錄並保持至今，為確認鐵基超導體為第二個高温超導家族提供了重要依據。實現了高温超導研究領域的第二次突破。在這期間，他以 67 歲的年紀三次帶領年輕人幾乎通宵工作，完成了初期最關鍵的三篇論文。事後得知，其中一篇比國外同行只早了一天發表。
趙忠賢的鐵基超導研究得到了國內外的高度評價。美國《科學》雜誌三次報道趙忠賢組的工作，其中在題為“新超導體將中國物理學家推向最前沿”的一篇文章中對於趙忠賢小組的貢獻予以充分的肯定。趙忠賢小組的成果作為“40K 以上鐵基高温超導體的發現及若干基本物理性質研究”的重要部分，獲榮 2013 年度國家自然科學一等獎。
50 多年前，當那個年輕的趙忠賢孤身一人背起行囊來到北京的時候，中國的超導研究還剛剛起步，高温超導更是天方夜譚。今天，這位古稀之年的趙忠賢身邊已經凝聚出了一支世界領先的中國高温超導研究隊伍，中國的高温超導研究已經走在了世界的前列。
幾十年來，在我國高温超導研究從追趕到引領世界的歷史進程中，趙忠賢是主要的倡導者、推動者和踐行者。他有無私奉獻的精神和國際領先的成果，是新中國培養的科學家的傑出代表。為高温超導研究紮根中國並處於國際前列做出了重要貢獻。
今天，象徵着中國科技領域最高榮譽的國家最高科學技術獎授予趙忠賢，不僅僅是表彰他本人的傑出貢獻，更是期待着受他影響的幾代青年科學家能夠在前人的基礎上更進一步，在未來第三次高温超導突破中做出新的成就，為祖國科技發展事業貢獻力量。