在世界超导研究领域中率先突破　赵忠贤独立发现液氮温区超导体 [复制链接]

第3版(教育·科技·文化)
专栏：重大科技成果巡礼

　　在世界超导研究领域中率先突破
　赵忠贤独立发现液氮温区超导体
本报讯 在掀起国际范围“超导热”的１９８７年，中、日、美科学家各领风骚。中国科学院物理研究所超导体专家赵忠贤及其研究集体，独立地发现了起始转变温度为１００Ｋ以上的新型超导体，并首次公布了钇、钡、铜、氧的组成体系。这一重大成就，荣获１９９０年度国家自然科学奖一等奖。
超导性，是指导体在特定温度下电阻为零时的特性。物质开始出现超电导特性的温度，叫起始转变温度，在科学上用绝对温度Ｋ表示，绝对温度的零度相当于摄氏零下２７３度。自１９１１年荷兰科学家首次发现水银超导转变温度为４．２Ｋ以来，尽管具有超导电性的材料已有上千种，但到７０年代初超导转变温度最高的铌三锗仅为２３．２Ｋ。其中在工业生产及科研上常用的超导材料如铌三锡，超导转变温度只是１８Ｋ。上述超导体的冷却剂必须用液氦，它的液化需要复杂的设备和技术，不仅价格昂贵，而且氦气资源有限，致使超导技术的推广应用受到极大的限制。因此，寻找高温超导材料（指与常规超导材料相比，具有较高的超导转变温度，并不是日常生活中的高温概念），是科学家们梦寐以求的目标，并为此走过了漫长曲折的道路。有人甚至断言，要获得７７Ｋ以上的液氮温区超导体，得等到２１世纪。
然而，自１９７６年以来，中科院物理所一批科研人员勇敢地涉足于超导研究领域，潜心求索高温超导的“神奇”之物。１９８６年４月，美国国际商用机器公司设在瑞士苏黎世的实验室报告，瑞士科学家柏诺兹和缪勒发现钡镧铜氧化物在３０Ｋ时存在着超导电性的可能。赵忠贤及其研究集体认为，所报告的这种氧化物在三价铜离子和二价铜离子之间的巡游电子可能导致尤哈—特勒效应在不同铜离子上交替发生，并使相邻晶格交替发生畸变，形成了晶格不稳定性，但又不发生结构相变，从而可能会产生强的电子—声子相互作用，引起出现高转变温度的超导电性。他们旋即组织起来开展研究，在１９８６年１２月终于异军突起，获得了起始转变温度４８．６Ｋ的锶镧铜氧化物和４６．３Ｋ的钡镧铜氧化物，并观察到某些多相的钡镧铜氧化物在７０Ｋ时的超导迹象。这一研究结果虽然是初步的，却引起了全世界的极大关注。它不仅是当时超导转变温度的世界纪录，而且也突破了某些科学家提出的超导转变温度的上限为４０Ｋ的理论观点。于是，超导体研究在蛰伏了半个多世纪后重新活跃起来。
１９８７年２月１５日，美国休斯敦大学的朱经武和亚拉巴马大学的吴茂昆获得了９８Ｋ的液氮温区超导体。面对激烈的国际竞争，赵忠贤等同志组织协作，通宵达旦地拚搏，通过掺杂和替换元素的办法，制成各种不同组份的样品，经几种稀土元素钇、镱、镝、钬的反复试验，终于在１９８７年２月１９日独立研制出起始转变温度为１００Ｋ以上、抗磁温度９３Ｋ、零电阻温度７８．５Ｋ的液氮温区超导体。我国《科学通报》２月２１日接受了他们的论文，并于３月２７日发表。２月２４日，中国科学院数理化学部举行的新闻发布会，首次在国际上公布了钇钡铜氧化物新体系。倏然间，国内外超导研究出现了百舸争流的局面。
钇钡铜氧体系材料是一种氧化物，属于陶瓷材料，这显然与以往超导体的传统观念相悖，从而给研究者们带来重大启迪。赵忠贤及其研究集体为探索这个“奥秘”，在超导电性与微观结构的更深层次上给予了实验和理论的证实或验证，其中包括：最早在国际上用持续电流法测定钇钡铜氧超导态电阻率上限为２×１０（负８次方）欧姆·厘米；首先在国际上确定钇钡铜氧超导相在实验误差±０．２Ｋ范围内无铜的同位素效应；与国际上同时用霍耳效应及其他方法分别证实新体系材料载流子为空穴型，存在着能隙和壳层结构；证明在微波场下钇钡铜氧体系的约瑟夫逊效应，超导电性与晶粒晶界的行为关系，以及超导相的结构状态；并运用假设的理论模型推导有关的参数结果等。这些研究工作独具特色，发表的２０余篇重要论文，赢得了国际同行学者的高度重视并被广泛引用。
自然界中氮气资源丰富，它的液化与使用简单方便，且价格十分便宜。因此，有了能在液氮下工作的高温超导体，预示着超导技术开始进入一个重要的新时期，它在国民经济、国防技术、医疗卫生、科学研究和其它高科技领域的广泛应用已成为可能。始于１９８６年春天到１９８７年的“超导热”，是科学家们值得纪念的时期，它为人类科学技术进步揭开了新的篇章。１９８７年３月，美国物理学会在纽约组织了超导体特别会议，从１８日傍晚开到翌日黎明，气氛异常热烈。主持氧化物超导体专题报告会的美国物理学会凝聚态物理部主任、康乃尔大学教授斯考罗夫特，在会议开始前首先介绍了最先几位专题报告者——缪勒（瑞士）、田中昭二（日本）、朱经武（美国）、赵忠贤（中国）、贝特洛格（美国）之后充满激情地说道：“这些是开动这架机器的人们的代表！”顿时，在盛况空前的会议大厅内外，２０００多名出席者和旁听者，爆发出雷鸣般的掌声。中国超导研究的贡献已被国际公认。
目前，国际上高温超导的研究仍处于激烈的竞争中，主要表现在新超导材料的基础研究、应用技术和产品开发方面。对此，我国已将超导技术列为优先发展的高科技重点项目之一。特别是近几年来组织成立了国家超导技术联合研究开发中心和国家超导专家委员会，初步形成了全国超导攻关研究的新体制，继续作出了国际上一流水平的新结果。
　　　　　　（黄兴章　吴佐民）（附图片）
图为赵忠贤在测量高温度导体基本参数