纵观中关村崛起的前二十年，计算机与信息技术的发展一直都是主旋律，电子一条街因此得名，也因此繁荣。不过，作为中国高校和科研机构最密集的地方之一，在中关村飞速发展的科学与技术远远不止于此。让我们暂时离开电子一条街、离开信息技术的洪流，去看一项科研院所里基础科研的“产品” —— 超导体的故事。

【超导体】

相信大家对“超导体”或多或少有些耳闻，它具备两种神奇的特性：其一是零电阻效应，电流在超导体内流动畅通无阻，毫无损耗；第二是完全抗磁性，磁力线无法穿过超导体，能产生一种标志性的现象——磁悬浮。这两项完全无视现实物理规律的特性足以让科学家们脑洞大开，联想到无数颠覆性的应用可能：从不需要电源的电器到悬浮在空中的城市。在20世纪，超导体曾经一度和计算机一样，被视为下一代技术革命的火种。然而从50年代起，半导体的出现让计算机技术突飞猛进，在今天已经深入到了每一个人的身边。与此同时，超导技术虽然在很多前沿领域得到了应用，但始终局限于此。这主要是因为超导现象必须具备极端严苛的外部条件 —— 超低温。这是自从超导现象被发现的那一刻起，就束缚着其应用的巨大屏障。直到今天 ，寻找室温超导体仍然是物理学界最热门的课题之一。

1911年（4月8日），荷兰莱顿大学的教授卡末林·昂内斯，在观察超低温环境下高纯度金属汞的电阻变化时发现，在温度降到4.2开尔文的时候，汞的电阻突然消失了。（这个温度相当于-269℃，“开尔文”是以绝对零度-273.15℃为起点的热力学温标，简称“开”）在同一年秋天召开的第一届索尔维会议上，这个惊奇的发现立刻引起了当时世界上那些最强大脑的兴趣。爱因斯坦、费曼、海森堡等等牛人都曾经兴冲冲地一脚踏进这个领域，但他们很快就意识到，以他们所掌握的知识，根本无法解释这一现象，实验数据少得可怜，对超导现象的规律也是毫无头绪。超导“来”得太早，早到连量子物理还没正式登上历史舞台。然而这个低温世界的奇幻魅力，仍旧引得“无数英雄竞折腰”。在接下来的半个世纪里，科学家们通过发现超导体的完全抗磁性，确定了这是一种“宏观量子现象”，并从微观的量子层面解释了超导现象的成因；同时，更多具备超导能力的物质被发现，超导体的范围也从金属单质扩展到了简单化合物，尽管它们变身超导体的临界温度都只有几K到二十几K、属于液氦温区，但是结合理论，科学家们认为一定存在着一些未知的物质，能在更高的临界温度转化为超导体。超导体的研究有如一座看不见山巅的珠峰，整个低温物理界都在期盼着，有朝一日超导体能够走出束缚着它的极寒地狱，去改变人类的世界。

【超导现象发现者 荷兰物理学家 卡末林·昂内斯（Kamerlingh Onnes，1853 – 1926）】

二十世纪五十年代初（1952年），中国老一辈物理学家洪朝生先生回国，开创了我国的低温物理事业。洪朝生在回国前就职于美国普度大学，他在半导体低温导电性方面的研究是当时普度大学遥遥领先的成果之一。就在他有如一颗新星般正要升起之时，传来了共和国成立的消息。当年的中国科学家，刚刚经历过中华民族最为灾难深重的时期，无不希望用自己所学的知识助新生的共和国奋起直追，而洪朝生更是多想了一步。除了自己在半导体领域的专业之外，他还想带一项祖国真正需要的知识回国。于是，在钱三强和彭桓武先生的建议下，他回绝了普渡大学的一再挽留，只身 前往荷兰莱顿大学的昂内斯实验室，在这里，他深入、系统地研习了低温物理学，并接受当时中国科学院应用物理所（即今中科院物理所）的委托，研究了获取低温的技术，为筹办中国自己的低温实验室作了大量的准备。回国后，在洪朝生的带领下，中国的低温物理事业得以开展。

然而早期的工作并不像人们想象中那样：在完备的实验室里，做着最前沿的科学研究。共和国之初，不但很多学科都是从零开始，而且物质条件极度匮乏。洪朝生作为当时国内不可多得的低温物理学者，像欧美实验室里那些卑微的技术工人一样，担负起了创造低温环境的重任。1954年，第一罐液化空气诞生；1956年，中国自行设计、加工的第一台液化器调试成功，并实现了氢气液化；1959年，通过液氢预冷，攻克了最难被液化的气体——氦气。这些重要的液化气体为我国的两弹一星和航天事业提供了有力的支撑，液化技术的发展也让我国在60年代真正开始了低温物理和超导体的研究。此时距离超导体的发现，已经过去了半个世纪之久。

【1950年 洪朝生（左）与邓稼先（右）于普度大学】

“高温”困境

洪朝生先生回国后的另一项重任是培养低温物理人才，1974年，他在中国科技大学教过的一名学生，被中科院物理所派往英国剑桥大学进修。当时没有人会想到，这位来自东北、性格爽朗的年轻人，将在不久的未来，让中国跨越时间的鸿沟，一跃成为超导体研究领域的强国。他的名字叫赵忠贤。

当赵忠贤步入剑桥大学的时候，超导体正处在一个充满矛盾的低谷时期。1968年，美国物理学家麦克米兰根据当时唯一一个成功解释超导现象的理论：电子-声子耦合理论（简称“BCS”）断定，一般超导体的临界转变温度不可能高于40K（零下233.15℃），这个温度被学界成为“麦克米兰极限”，有如从理论上对超导体的发展下了一纸判书，让科学家们曾经以为存在的、在40K以上转变的“高温超导体”成为了低温物理界的水月镜花。1975年，美国固体物理学家访华代表团访问中科院物理研究所的时候，甚至有人大开玩笑，说: “要想获得室温超导体，除非将室温降到液氦温区……” 这一句戏言道出了学界多少辛酸的无奈。可是与此同时，即便是对环境要求严苛的“低温超导体”，也因为无比优越的性能开始在一些应用领域展开试验，例如受控核聚变、计算机、以及核潜艇发电机等等。70年代初，一个边缘学科的兴起，更让低温超导体有了新的用武之地 —— 核磁共振 —— 一个即将改变医疗史的愿景不期而至。这一切让超导领域的科学家们不但没有知难而退，反而是迎难而上。赵忠贤早已领略了超导体研究的艰难和魅力，在剑桥期间他真正接触到了世界超导研究的最前沿。

1975年底回国之后，赵忠贤全力投入了高温超导体的研究中。1977年，他在《物理》杂志上发表文章，分析了麦克米兰理论中的片面性，并且列举了当时一些新的理论研究结果，说明超导还可能拥有“电子-声子耦合”以外的其它机制，而高温超导体就可能存在于结构复杂的化合物当中。他说：“如果只限于几种简单的结构去探索，由于地球上的元素就那么多种，路子就走不宽，所以一定要着手于复杂的结构”。这篇文章有如挑战传统的宣言。一时间的雄心壮志，却开启了超导研究更为艰难的时期。即使“地球上的元素就那么多种”，也足以排列组合出浩如烟海的无数化合物。赵忠贤他们只能像大海捞针一般，去寻觅那渺茫的一丝“可能”，在那个让一切经典物理铩羽的量子世界里，探求着不为人知的神秘机制。

【赵忠贤】

虽然这样前卫的思想在学界并不占主流，但是在日本、美国、欧洲，各国的超导领域都会有那么几个不信邪的异类。陆续有物理学家在大大小小的学术刊物上发表论文，声称发现了40K以上的“高温超导体”，但这些成果不是被很快证伪，就是无法重复实验。在科学界，一个不能被重复的实验结果是绝对站不住脚的。久而久之，这样的论文被当成“狼来了”的故事，越来越少有人愿意在这种与理论背道而驰的无稽之谈上浪费时间。此时在中国，仍然有不少“叛逆者”在坚持着自己的研究。1978年3月的全国科学大会之后，科技工作者们迎来了空前稳定的科研环境。各个基础领域都受到“科学的春天”的鼓舞，充满干劲儿。中国的超导学界，正在用自己的方式一步步地接近那个未知的目标。在1984年，第五次全国高温超导体学术研讨会上，国内学者达成共识 ——“传统（非晶态）材料里不会找到更高温度的超导体”，而且他们已经开始研制氧化物、重费米子等不能用传统理论解释的超导体了。

尽管在那些“狼来了”的文章中，几乎找不出什么值得深入研究的线索，但中科院物理所超导研究室里的人们仍然对此保持着密切的关注。直到1986年9月底，他们在一本不太起眼的学术杂志上，寻到了蛛丝马迹。这篇论文的作者是IBM苏黎世实验室的贝德诺兹（J.G.Bednorz）和缪勒（K.A.Müller），他们在文中宣称，发现了钡镧铜氧化物在35K的环境下呈现超导现象，并且用非常谨慎的口吻推测：在这个不稳定的复杂氧化物系统中“可能”存在更高临界转变温度的超导体。赵忠贤立刻觉得这篇论文与以往不同，关键在于作者推测可能存在高温超导体的理论依据，正和他多年以来的研究方向不谋而合。于是，赵忠贤立刻带领团队，在10月初开始了对钡镧铜氧化物的研究。当时的国际学界对此仍然看法不一，和赵忠贤同时出手的只有日本和美国的几个实验室。在众多怀疑的目光下，他们各自杀向了理论的边外之地。而正是这些人的不懈努力，让超导研究迅速“升温”，成为了全世界的焦点。11月13日，日本传来消息，东京大学的田中昭二教授通过重复实验，证实了贝德诺兹和缪勒的实验结果。自此之后，世界各地的实验室捷报频传，报道出来的临界转变温度不断攀升，逐渐演变成了一场世界范围的“超导竞赛”。所有的参与者都在暗自努力，向着麦克米兰极限“日拱一卒”。

【贝德诺兹与缪勒于1986年4月发现钡镧铜氧化物的超导电性 】

【其论文在当年9月发表于“Springer”杂志 】

【赵忠贤（右）与同事黄玉珍（左）在自制的燃烧炉旁（1986年】）

可是消息发布之后，赵忠贤和团队却陷入了意料之外的僵局。本着严谨的科学态度，仅仅观察到一次70K的超导现象是明显不够的。而且，对于这种远远超出人们想象的结果，在国际上必然引发“狼来了”似的怀疑。于是，赵忠贤集中了很大精力去验证结果。日子一天天过去，1987年的严冬显得格外冰冷，赵忠贤团队因为原料质量问题始终无法重复实验。然而在困境之中，他们却用自己的智慧和多年的积累，紧紧抓住了艰苦条件带来的一份馈赠。由于长时间跟纯度差的原料打交道，赵忠贤逐渐意识到，样本中的杂质也有可能在起作用。于是，他想到了去寻找即没有磁性，性质又和镧相近的元素，替换到现有的体系中。接下来，就是漫长的精心筛选，而后又耐心地一一尝试。在这期间，世界超导竞赛丝毫没有放慢步伐。2月15日，远在美国的华人科学家朱经武和吴茂昆宣布发现了98K的超导现象。赵忠贤根据当时已有的研究结果，认为美国的报道是可信的。对于他们来说，这即是鼓舞也是挑战，唯有越发地争分夺秒。一周之后的一个夜晚，当他们用金属钇代替了原体系中的金属“镧”的时候，终于迎来了拨云见日的一刻。新化合物“钇钡铜氧”的临界转变温度高达93K。这一次，实验可以重现，结果很快得到了验证。这个发现甚至比“突破麦克米兰极限”更具有现实意义，这意味着高温超导体从此走出了造价高昂液氦温区，到达了液氮温区，而液氮价格仅有前者几百分之一。这将使高温超导体未来的应用和研究成本直线下降，将有更多规模较小的实验室可以直接从事超导研究，甚至大学生都可以操作实验。2月24日，中国科学院数学物理学部召开新闻发布会，在国际上首次公布了这种新型高温超导材料的构成。

物理学界的“伍德斯托克”

【1987年3月18日 赵忠贤在美国物理学年会高温超导专题讨论会上做报告 】

【美国物理学年会上的缪勒（左）与赵忠贤（右）】

内容参考：

• 李来风《缅怀洪朝生先生 回顾先生低温物理拓荒之路》

• 赵忠贤《我所了解的洪朝生先生》

• 黄兴章《超导体专家赵忠贤》（《中国科学院院刊》载》）

• 赵忠贤《探索高临界温度超导体》（《物理》杂志载）

• 赵忠贤《超导——一个充满发现与挑战的领域》（国科大演讲）

• 中央电视台《大家：赵忠贤——潮起潮落坚守》（纪录片）

• K. Alex Müller - The Nobel Prize Banquet speech

• Randy Simon, Andrew Smith - “Superconductors: Conquering Technology’s New Frontier” (Chapter 13)

• Frank J. Owens， Charles P. Poole Jr. - “The New Superconductors” (Chapter 1)

• 维基百科词条：超导

• 百度百科词条：超导、赵忠贤、卡莫林昂内斯