1月9日，2016年度國家科技獎勵大會在京召開。中國科學院物理研究所的趙忠賢院士因其在高溫超導領域的突出貢獻獲得了國家最高科學技術獎。同時獲此獎項的還有2015年諾貝爾生理學或醫學獎得主屠呦呦。

這并不是趙忠賢院士第一次獲得國家科技大獎。以他為代表的團隊曾分別于1989年和2013年因“液氮溫區氧化物超導體的發現及研究”和“40K以上鐵基高溫超導體的發現及若干基本物理性質研究”而榮獲國家自然科學獎一等獎。

此外，趙忠賢還曾在2015年獲得Matthias獎。該獎項是超導研究領域的重要國際獎項，每3年頒發一次。

2013年，當趙忠賢團隊獲得國家自然科學獎一等獎時，外界曾評價道，“超導研究是中國科學家距離諾貝爾獎最近的領域”。

超導態研究是凝聚態物理學的重要部分。凝聚態指的是粒子間有很強態互作用的系統。固態以及液態是人們最為熟悉的凝聚態。除了這兩種態之外，凝聚態還包括一些特定的物質在低溫條件下的超導態、晶體與自旋有關的鐵磁態及反鐵磁態、超低溫原子系統的玻色-愛因斯坦凝聚態等等。目前在超導研究領域，已經有10位科學家獲得了5次諾貝爾獎，分別是：

1913年，在低溫條件下的某些金屬中發現并命名超導現象的荷蘭科學家翁內斯（Heike Kamerlingh Onnes）。

1972年，提出BCS超導理論的美國科學家巴丁（John Bardeen）、庫珀（Leon North Coope）和施里弗（John Robert Schrieffer）。

1973年，分別發現半導體和超導體中的“隧道效應”的日本科學家江崎玲於奈和美國科學家賈埃弗（Ivar Giaever）。

1987年，發現鋇鑭銅氧系統中的高臨界溫度超導電性的德國科學家柏諾茲(J.Georg Bednorz)和繆勒(Karl A.Muller)。

1992年，在超導體和超流體領域中做出開創性貢獻的俄美雙國籍科學家阿列克賽·阿布里科索夫(Alexei A. Abrikosov)、俄羅斯科學家維塔利·金茨堡(Vitaly L. Ginzburg)和英美雙國籍科學家安東尼·萊格特(Anthony J. Leggett)。

那么，中國科學家是如何在超導領域奮起直追，逐漸成為該領域的強國，并一度創造了世界矚目的鐵基超導“奇跡”的呢？

超導性：大自然最奇妙的“小把戲”之一

超導，全稱超導電性，是20世紀最重要的科學發現之一，指的是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。

1908年，荷蘭科學家翁內斯（Onnes）成功制備液氦，并在液氦溫度下研究物質的熱力學和電學性質。1911年，翁內斯發現汞的電阻在溫度降到4.2K（-269℃）以下時變為0。他將此特性命名為超導性，并獲得1913年的諾貝爾物理學獎。

那么，超導現象是如何產生的呢？通常情況下，電子在定向運動時會與金屬晶格碰撞，形成電阻。1957年，Bardeen、Copper 和 Schrieffer 提出著名的 BCS 理論，即具有相反自旋和動量的電子對通過與晶格振動聲子的交換作用，互相吸引，形成 Cooper 對。而這個Cooper對可以在晶格中無阻礙傳輸，是超導的機制。臨界溫度的存在，則是因為較高溫度下更強的晶格振動對Cooper對造成破壞。三人也因此榮獲1972年的諾貝爾物理學獎。

從超導領域開創以來，探索更高溫度的超導條件就成了科學家不懈的追求之一。但美國科學家麥克米蘭基于BCS理論計算，認為超導臨界溫度不太可能超過39K（-234℃），39K這個溫度也被稱為“麥克米蘭極限”。這個極限溫度一度被主流學界所接受。

銅氧化合物超導體：顛覆傳統理論

1967年，德國科學家柏諾茲(J.Georg Bednorz,1950-)和繆勒(Karl A.Muller,1927-)發現了鋇鑭銅氧系統中的高臨界溫度（35K）超導電性。他們共同分享了1987年度諾貝爾物理學獎。這也標志了銅氧化合物超導體的突破性意義——諾貝爾獎在極少數情況下才會頒發給剛剛出爐的成果。

趙忠賢是國際上最早認識到銅氧化合物超導體重要意義的少數科學家之一。他的團隊從1986年底到1987年初，在十分簡陋的實驗條件下夜以繼日工作，終于和國際上少數幾個小組幾乎同時在鑭-鋇-銅-氧體系中獲得了40K以上的高溫超導體。

由此，銅氧化合物超導體顛覆了BSC理論和其推論“麥克米蘭極限”。

但接著，趙忠賢團隊做出的70K超導成果沒能被人重復。頂著來自海外學者的質疑和施壓，趙忠賢猜測是實驗樣品中的雜質發揮了某種作用，并主動尋找這種關鍵性的雜質。在用鍶取代鋇沒有復現70K超導現在之后，1987年2月19日深夜，趙忠賢團隊終于在釔鋇銅氧（Ba-Y-Cu-O）中發現了臨界溫度為93k的超導轉變。國際上很多實驗室驗證了中國的工作。

93K這個溫度的重要意義，在于突破液氦的溫區而進入液氮的溫區，使得人們可以用便宜的液氮取代昂貴的液氦創造超導體的低溫環境。這個成果推動了世界范圍的高溫超導研究熱潮，趙忠賢團隊因此榮獲1989年度國家自然科學獎集體一等獎。

贏得鐵基超導競賽：“中國已經成為凝聚態物理領域的強國”

2008年2月下旬，東京工業大學化學家細野秀雄(Hideo Hosono)發現了在四方層狀的鐵砷化合物：摻F的LaOFeAs中存在轉變溫度為26K的超導電性。中國科學家們敏銳地嗅到鐵基超導是高溫超導領域一個重要的突破口，并迅速投入了研究。

2008年3月25日，中科大的陳仙輝小組經過反復實驗驗證，在國際上首次在常壓下獲得臨界溫度達到43K（–230.15°C）的鐵基化合物超導體體——氟摻雜釤氧鐵砷化合物，突破了“麥克米蘭極限”。這項成果發表在《自然》上，成為2008年全世界最具影響和被引用最多的5篇論文之一。

僅僅四天后，在3月29日，趙忠賢小組做出了臨界溫度為52K的鏷鐵砷氧氟超導體。接著，在4月13日，趙忠賢小組又做出了臨界溫度為55K的釤鐵砷氧氟超導體，創造了大塊鐵基超導體的最高臨界溫度紀錄并保持至今，為確立鐵基超導體為第二個高溫超導家族提供了重要依據。

由于上述“40K以上鐵基高溫超導體的發現及若干基本物理性質研究”，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和中國科學技術大學研究團隊被授予2013年度國家自然科學獎一等獎。

除了陳仙輝小組和趙忠賢小組，中國當時還有幾個研究團隊都各自獨立完成了鐵基超導領域的重要突破。在短短數月內，中國科學家從投入研究到成果井噴，吸引了全球科學界的注意力。

在2008年4月一篇題為《新超導體將中國物理學家推向前沿》的評述文章中，著名學術期刊《科學》寫道，“中國相關研究成果井噴，這標志著，中國已經成為凝聚態物理領域的強國”。

《科學》還寫道，中國在高溫超導領域的高產已經引發了美國研究者們的擔憂。美國國家研究委員會的報告曾指出，由于經費停滯，美國正處于失去凝聚態物理研究優勢的邊緣。