赵忠贤：中国高温超导的领航人
董文凯 熊卫民约 29 分钟导读：
获得国家自然科学一等奖、当上院士之后，赵忠贤没做研究所所长（含副职，下同）、大学校长、中国科学院院长之类职务，仍然没有多大的权势，仍然没有带很大的队伍，仍然只是一位在科研一线打拼的科学家。但他再次做出了重要成果，并在相当程度上引领了中国高温超导研究的方向。
董文凯 熊卫民 | 撰文
“超导”是超导材料或超导体的简称，因具有零电阻的特性而得名。“高温超导”是指具有较高超导临界转变温度（以下简称“Tc”）的超导体。中国的高温超导研究起步于20世纪50年代末，但真正快速发展则是在20世纪70年代下半期以后。赵忠贤从1976年初即开始在国内推动和开展高温超导研究。在1986－1987年铜氧化物超导体研究的国际竞争中，他带领团队较早地在世界上发现液氮温区铜氧化物超导体，并率先公布新超导体的成分，其团队获得1989年的国家自然科学奖一等奖。1991年，他当选为中国科学院学部委员。铜氧化物超导体研究热潮过后，赵忠贤继续坚守高温超导领域，不断深耕，并于2008年3月，在铁基高温超导研究领域，再次斩获佳绩。2014年，他又一次作为主要完成人获得国家自然科学奖一等奖。
赵忠贤在几十年的科研生涯中不断取得重要突破的原因是什么？他为何能成为中国高温超导领域的领航人？本文基于对赵忠贤学习和科研经历的考察，对以上问题展开讨论和分析，以期对中国的基础研究创新人才培养有所启示。
到12月底时，赵忠贤等人通过元素替代、改变原料配比等方式，合成出一系列LaSrCuO（镧锶铜氧）和LaBaCuO材料样品，并在其中两个样品中发现了48.6K和46.3K的Tc，这是当时世界上最高的Tc纪录。而更加令人兴奋的是，他们甚至在LaBaCuO系列的样品中多次观察到70K以上的超导迹象，相关论文于1987年1月14日提交给《科学通报》[24]。12月27日，《人民日报》以头版头条对此进行了报道[25]。由于70K已接近液氮温度，是实现超导工业化应用的关键一步，因此，国内外媒体和科学家对此事都较为关注。《纽约时报》评：“如果确实的话，这个成果可列为现代中国在实验物理学方面的第一个重要成果。”[26] 由于这一消息是通过媒体对外公布的，也使得一些国际同行对赵忠贤等人的结果持质疑态度。
在国内外广泛关注的压力下，自12月27日后，赵忠贤等人不断尝试重复实验结果。他们通宵达旦地工作，“没有床，困得实在受不了的时候，就在桌子上躺一躺或在椅子上靠一会儿打个盹儿，醒了就继续做实验”（[2]，页442）。1987年1月初，赵忠贤带领小组继续制备LaBaCuO体系的单相样品，但获得的样品Tc均在40K左右，没能再观察到70K的超导迹象。到了1月底，他们想到先前做出70K超导迹象的样品原料生产于20世纪50年代，因此开始怀疑原料的杂质因素。化学成分分析表明，先前使用的原料的确含有其他稀土杂质。通过小组讨论，他们认为，通过元素掺杂的方式，“在多相材料中才有可能找到新的具有更高临界转变温度的亚稳相”超导体（[3]，页182）。于是，从2月6日开始，他们又将注意力转向多相样品制备，并开展了一系列的稀土元素掺杂和取代工作，尤其是用原子半径小的钪、钇、镱等稀土元素取代镧[23]。
2月16日，赵忠贤等人从广播中得知，美国的朱经武实验室发现了Tc达98K的超导体（但并未公布新超导体的成分），这一消息敦促他们尽快找到当前研究的突破口。转机出现在2月19日中午，在一个成分为YBaCuO（钇钡铜氧）的样品中，他们观察到电阻-温度曲线于110K处偏离直线的现象。经进一步的检测分析，最终于2月20日凌晨确定该样品的Tc为78.5K，这是中国方面发现的第1块液氮温区超导体。2月21日，《科学通报》收到了赵忠贤等人撰写的相关论文[27]。紧接着，2月23日，他们又制出第二批样品，证明其合成工艺具有可重复性。第二天，中国科学院在物理所召开新闻发布会，宣布：物理所赵忠贤、陈立泉等人发现YBaCuO液氮温区超导体。这是国际上首次公布液氮温区超导体的成分。发布会结束后的第二天，中央政治局委员胡启立、方毅等中央领导到物理所视察，对他们进行了祝贺，称其证明“中国人有实力可以自立于世界民族之林”[28]。铜氧化物超导体发现者之一的柏诺兹获悉后也表示，“赵教授及其同事们的研究成果是举世瞩目的”⑩。
1987年3月18日，美国物理学会在纽约召开高温超导专题讨论会。这是一次受世人瞩目的会议，到场的物理学家超过3000人。赵忠贤作为会议邀请的五位大会报告人之一，在会场上受到国际媒体的关注。Science杂志以“超导现象正在发生”为题对此次会议进行了报道，文中还专门刊登了赵忠贤出席会议的照片[29]。正如超导国家重点实验室主任周兴江所评价的：“在当时这是中国科学家非常少有的在国际学术舞台上的亮相, 标志着中国科学家在基础物理研究方面走向了世界的前列。”[30]
Science杂志报道在美国召开的高温超导专题讨论会。图片来源于Science杂志官网。
液氮温区超导体的发现及后续成果先后获得1986年第三世界科学物理奖和1989年国家自然科学奖一等奖等国内外重要奖项，赵忠贤也因此当选为第三世界科学院院士（1987年）和中国科学院院士（1991年）。
在开展科学研究的同时，赵忠贤还积极推动国内超导研究机构的建立，以进一步提升国内的超导研究水平。1987年3月，刚从美国参会回来的赵忠贤就联合陈立泉向科研部门建议，尽早成立国家超导实验室，组织协作攻关[31]。5月，物理所向中国科学院正式提交了《高临界温度超导体联合实验室计划任务书》。7月，国家计委批准在物理所筹建国家超导实验室[32]。1991年4月，国家超导实验室通过专家小组验收，正式挂牌成立。同时，该实验室被列入国家重点实验室行列，正式命名为“超导国家重点实验室”。赵忠贤担任实验室首届主任。超导国家重点实验室拥有众多国际一流的仪器设备，相对充裕的科研经费，显著提升了中国超导物理的科研条件。
在推动中国超导学科的国际交流方面，他发挥自己过人的科研组织能力，通过参与组织举办1987年北京国际高Tc超导电性学术讨论会[33]、1989年北京高温超导体第2次国际会议[34]和1990 年北京国际高温超导物理讲习班[35]等国际会议，帮助中国超导学科融入国际主流。
2008年1月，日本东京工业大学的细野秀雄（H. Hosono）课题组发现了Tc达26K的LaOFeAs（镧氧铁砷）超导材料，国内超导学者了解到相关信息后，迅速跟进。3月2日，物理所王楠林课题组率先重复出了细野秀雄小组的工作。之后，国内外很快掀起铁基超导体的研究热潮。美国橡树岭国家实验室的辛格（D. J. Singh）等人和美国罗格斯大学的豪勒（K. Haule）等人分别在3月4日和3月9日计算了LaOFeAs超导体的电子结构，初步揭示该超导体属于一种不同于铜氧化物超导体的新型高温超导体[37, 38]。赵忠贤带领的小组不仅具有丰富的超导材料合成经验，而且“日本小组的报道与赵忠贤团队多年形成的思路产生了共鸣”[30]。3月29日，赵忠贤小组利用高压合成法率先在国际上发现了Tc超过50K的PrOFeAs（镨氧铁砷）超导材料[39]。4月16日，他们又将SmOFeAs的Tc进一步提高到55K[40]。这是当时已报道的所有非铜氧化物超导体中的最高Tc。4月25日，Science杂志以“新超导体将中国超导物理学家推到最前沿”为题发表了评论文章，指出：“中国如洪流般涌现的结果，标志着中国在凝聚态物理领域已经成为一个强国。” [41]
首先，赵忠贤具有敏锐的物理直觉。这一点早在1974年他去剑桥大学进修时就有所体现。当时，他面临着研究选题的问题。赵忠贤没有选择最简单的方式——直接加入同事正在开展的工作，而是先对大家的课题做了一番了解，经过认真思考，他找到别人没有研究过，而同时自己又有可能做出成绩的课题，并最终完成了令合作导师刮目相看的结果。再如，当他看到柏诺兹和缪勒的研究论文时，很快便意识到铜氧化物超导体的价值所在，而在当时，国际超导界普遍认为像铜氧化物这样的绝缘体中不太可能发现超导体。这些例子均说明赵忠贤具有极其敏锐的物理直觉，以至于国际著名超导物理学家朱经武称其在物理学领域具有“很不寻常的天分”[10]。
其次，赵忠贤接受了超导物理学最前沿的学科训练。除了在中科大学习期间接受中国超导物理学两位奠基人的亲自指导外，他还得到了到剑桥大学这样国际一流的科研机构进修的机会。在具有国际视野的科学家的指导下，赵忠贤心无旁骛地从事前沿的超导研究，学习他们解决科学难题的思维和方法，使他打下了比同龄人更坚实的学科基础。同时，这次经历也使其结识了一些国际同行，夯实了语言基础，使他在“文化大革命”结束后获得更多的国际学术交流机会。在这样一种“马太效应”的加持下，赵忠贤一直活跃在国际超导物理学的研究前沿。
第三，赵忠贤拥有优秀的科研组织能力。他说：“一位优秀的学科带头人，还应是一位优秀的科学组织家。”[42] 无疑，他也是这样对自己要求的。早在1976年“文化大革命”尚未结束时，他就开始在国内组建高温超导研究队伍，并受到包括蔡建华、龚昌德等著名物理学者的热情欢迎。后来，在当年年底，他又成功组织召开国内第一届高温超导讨论会，参会单位有十几家，会议日程达8天之久。在那个年代，为如此规模的一次会议筹措经费是相当不易的事情，而且他当时还只是一名研究实习员。后来，这个系列会议在他的组织下，到1986年11月共连续召开6届。对于一名科学家来说，这种过人的科研组织能力同样是一种难得的品质。
机会总是留给有准备的人。在敏锐的物理直觉、扎实前沿的学科训练以及优秀的科研组织能力这些条件均具备的情况下，当重要的科学突破来临时，赵忠贤自然可以抓住机会，奋力拼搏，取得一系列重要创新成果。
赵忠贤并不合适戴上这类“帽子”。他在20世纪70年代末至80年代前期就有了广泛影响，但当时他职位很低，并没有权势，也没带多大的研究队伍，更没有很多的研究经费。获得国家自然科学一等奖、当上院士之后，他没做研究所所长（含副职，下同）、大学校长、中国科学院院长之类职务，仍然没有多大的权势，仍然没有带很大的队伍，仍然只是一位在科研一线打拼的科学家。然而，他再次做出了重要成果，并在相当程度上引领了中国高温超导研究的方向。
笔者认为，20世纪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）、达尔文（C. R. Darwin）、孟德尔（G. J. Mendel）、爱因斯坦（A. Einstein）等人，他们有共同的特点，那就是不具备权势，研究队伍规模小，也没有很多的研究经费，他们凭借对科学的热爱和敏锐的直觉，在有价值的领域（很多时候是他们开辟出来的新领域）探索，做出原始创新成果，赢得声望，并引来一些早期跟随者，令新领域得以产出更多的成就。随着相关成就，尤其是应用成就的不断产生，引来大量的中期、后期跟随者。他们不是科学上的领军人物、战略家，而是科学上的领航人（Scientific Pilot）。
当然，赵忠贤的成就还不能与法拉第、达尔文、孟德尔、爱因斯坦、沃森、克里克等人的相提并论。事实上，他也不是铜基、铁基超导体的原创者，而只是这类研究的早期跟随者、新高度的达成者。但是，像他这种科学领航人，是我们国家当前所急需的。经过数十年对科学研究的大规模投入，目前我国的科研水平已有了很大提升，在不少领域已经到达了无人区。在这个亟待原创成果的年代，对科学领航人及其早期跟随者的需要尤其大。原创成果需要经费，但不是用钱能堆出来的。与此相应，科学领航人及其早期跟随者也不是政府能够轻易培养出来的。我们应当提供更加自由宽松的环境，让创新人才得以成长并脱颖而出。
致谢：在选题阶段，得到了中国科学院大学王大明教授的鼓励和建议；在资料搜集阶段，中科大张裕恒院士、物理所王龙研究员、胡欣老师接受了我们的访谈，物理所周兴江、郑宗爽和毕永贞等老师给予我们以帮助。在此一并表示感谢。
作者简介：董文凯，1994年生，河南鹿邑人，江苏科技大学马克思主义学院讲师，研究方向为中国现代科学技术史。熊卫民，1974年生，湖南南县人，北京科技大学特聘教授，研究方向为中国现代科学技术史。
本文首发于《科学文化评论》 第21卷 第2期(2024)，《赛先生》获作者授权发布。
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①洪朝生（1920－2018），北京人，物理所研究员，中国低温和超导学科的开拓者，1980年当选为中国科学院学部委员。
②管惟炎（1928－2003），江苏如皋人，物理所研究员，中国超导学科奠基人之一，1980年当选为中国科学院学部委员。
③1959年，洪朝生提出“获得超导转换温度在80K以上超导体”的研究课题，这是国内最早开展的有关高温超导体的研究课题。超导计算机器件的研制是该课题的子课题之一。
④约翰•巴丁，美国伊利诺伊大学香槟分校教授，曾两次荣获诺贝尔物理学奖。
⑤即BCS理论，它是以近自由电子模型为基础，在弱电－声子相互作用的前提下建立起来的理论。
⑥这些学者包括南京大学的蔡建华、龚昌德，复旦大学的周世勋，以及中科大的吴杭生等人。
⑦王新荣,刘兵.管惟炎传（郑宗爽藏），1989．
⑧管惟炎：1976年全国第一次高温超导会发言稿（郑宗爽藏），1976．
⑨董文凯访谈张裕恒院士，2021年2月1日，合肥市科学岛张裕恒院士办公室。
⑩赵忠贤：四十年冷板凳 坐出中国的超导强国．2018年4月，见 https://www.pcpop.com/article/4519538.shtml．
⑪中国高温超导奠基人赵忠贤院士：因为松山湖，这件事才能发生．2021年3月，见 https://mp.weixin.qq.com/s/N6QEGktyfK_U-Lqb066A-g．
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