論文發表16個月即得諾獎，這一領域究竟有何魅力？

撰文| 羅會仟（中國科學院物理研究所）

圖表 1 因超導獲諾貝爾物理學獎的十位科學家

每年的十月初，科學界都要熱鬧一波，因為這是諾貝爾獎的宣布時間。雖然諾獎并不代表最高學術研究水平，但卻已經被潛移默化成為了科學界的最高榮譽。自從1901年第一屆諾貝爾物理學獎頒發給倫琴以來，百余年里已有200多位科學家榮獲諾貝爾物理學獎[1]。在物理諾獎的歷史上，天體物理、粒子物理、原子分子與光物理、凝聚態物理等四大領域風水輪流轉，細數下來，凝聚態物理相關的諾獎約有50位左右[2]。在這些科學家中，至少有10位科學家是直接因為超導的相關研究獲得物理諾獎。他們分別是：卡末林·昂尼斯 (1913年)，約翰·巴丁、列昂·庫伯、約翰·施里弗 (1972年)，伊瓦爾·賈埃沃、布萊恩·約瑟夫森 (1973年)，喬治·柏諾茲、亞歷山大·繆勒 (1987)，阿列克謝·阿布里科索夫、維塔利·金茲堡 (2003)[3]。

這些關于超導的故事，或許都可以從諾獎的歷史中尋找到痕跡。那些因超導獲獎的科學家，每個人都是一部有趣的傳奇。

萊頓大學關于昂尼斯獲得液氦的紀念碑

1913年，卡末林.昂尼斯因為低溫物性的研究以及液氦的成功制備獲得諾貝爾物理學獎。其中，低溫物性的研究內容，就包括他在1911年發現的第一個超導體——金屬汞。發現金屬汞超導的關鍵，就是獲得液氦以提供低溫環境。根據理想氣體狀態方程，把各種氣體進行加壓就能變成液體，對應液化的氣體其沸點在常壓下很低，例如氮氣在常壓下的沸點就是 77 K，進一步減壓制冷可以達到 40 K左右的低溫環境。在其他氣體紛紛被征服之后，最后只剩下氫氣和氦氣兩個最輕的氣體尚未液化。昂尼斯在荷蘭的萊頓大學建設了低溫物理實驗室，其主要目的就是攻克氫氣和氦氣的液化。經過好友范德瓦爾斯 (1910年物理諾獎) 的指點，昂尼斯意識到光憑理想氣體狀態方程是不夠的，必須考慮氣體分子間相互作用的范德瓦爾斯方程，并很快攻克液氫技術。終于，在1908年7月10日，昂尼斯實現了氦氣的液化，獲得液氦在常壓下的沸點為4.2 K。利用液氦進一步減壓制冷，可以達到約1.5K的低溫環境，而He-3制冷則可以達到0.1K以下的低溫。

昂尼斯的成功，開啟了低溫物理學的大門。在此之前，人們對金屬在低溫下的導電性并不了解，因為當時實驗條件根本達不到接近絕對零度的低溫。人們紛紛猜測，金屬電阻率可能在低溫下會出現迅速增大到發散的現象，或者降低到一定程度就停留在因雜質和缺陷導致的剩余電阻率值上。昂尼斯則一直認為，如果測量純度極高的金屬材料，就有可能在趨于絕對零度時候，電阻率持續不斷減小到零。有了液氦這個低溫武器，昂尼斯很快就測量了各種金屬的低溫電阻率，然而室溫下導電性最好的鉑、金等到了低溫都是具有一個有限的剩余電阻率。

終于在1911年，昂尼斯讓實驗室助手開始測量金屬汞的低溫電阻率，主要是因為汞可以蒸餾提純，純度可以極高，堪稱完美金屬。神奇的一天就在4月8日的一個普通周末發生了，實驗室助手在測量汞的低溫電阻時，發現跨越4.2 K的時候，突然測不到電阻了，即讀數要低于儀器的分辨率10-5歐姆。昂尼斯聽過這個事情后，立刻讓助手們重復了實驗，并在他的筆記本上記錄了“超級導電”的字樣。但是因為在4.2K恰好和液氦沸點重合，令人不禁懷疑測量是否有問題。昂尼斯和同事們又花了數月時間確認這個現象，才慎重在荷蘭萊頓大學學報上發表相關結果，并命名為“超導”。

證明超導體電阻率是否為零，其實是一件非常棘手的事情。萊頓大學低溫物理實驗室的技術員即使在昂尼斯去世后16年，仍然在重復相關的實驗，不斷提高實驗精度。最終，人們證明超導體的電阻率要遠遠比室溫下電阻率最低的常規金屬鉑還要小十個數量級，如果在超導環里實現一安培的穩恒電流，那么可以持續穩定地保證一千億年不衰減，比宇宙的年齡都還要長！在這種情況下，人們完全可以認為超導體的電阻率是完美的零，令人不免感嘆神奇！[4]

各種代表性超導材料發現的年代及其臨界溫度

1972年，時隔近60年后，超導才再度獲得諾貝爾獎。三位獲獎者約翰.巴丁、里奧.庫伯、約翰.施里弗的獲獎理由是：“因其共同發展的超導理論，通常稱為BCS理論”。這是一段耐人尋味的歷史，間接原因可能是20-50年代的諾獎主要頒給了量子力學、粒子物理和天體物理，更直接的原因是超導領域在當時并不夠火。昂尼斯發現第一個超導體之后，許多金屬單質都被陸續證明是超導體，在許多金屬合金中也發現了超導，但令人郁悶的是，它們的臨界溫度都極低，幾乎統統低于20 K。如此低的溫度，意味著必須要靠液氦來維持低溫，但氦是稀有氣體，液氦又很難制得，因此超導應用的成本是非常高昂的。另外一個重要的問題就是，對超導微觀本質的理解一致處于非常艱難的階段。許多聰明絕頂的科學家，如愛因斯坦、費曼、海森堡等人，都曾嘗試過建立超導的微觀理論，但，都失敗了。可以說，超導的理論問題，搭進去一大群諾獎得主，無果。

事情的轉機在20世紀50年代，量子力學已經發展成熟，基于量子力學框架的固體物理理論也發展起來了，人們逐漸對固體材料中的微觀導電機制有了深刻的理解。在完成對半導體晶體管的研究之后，巴丁敏銳意識到超導將是下一個突破的機會。于是他拉上博士后庫伯和研究生施里弗，組建了一個老中青結合的“三人團”，在數月之后的集中努力下，終于在1956年取得了突破。庫伯首先證明金屬中電子若存在一種弱的吸引相互作用的話，是可以構成電子對穩定存在的；施里弗繼而找到一個合適描述電子對的波函數，并給出了超導電子的運動方程；巴丁則從領導者的角度，指出電子之間是通過交換原子振動量子發生弱吸引相互作用，并引領庫伯和施里弗從理論上證明了零電阻效應和完全抗磁性的存在，這個理論也因此以他們三人名字命名為BCS理論。超導微觀理論的完成，完美解釋了常規金屬超導特性，其中電子如何產生吸引相互作用的思想，影響深遠。[5]

巴丁、布拉頓、肖克利在貝爾公司

這里有幾個有意思的故事，巴丁找施里弗做這個方向研究時候，問過他是研究生幾年級，他答道是新入學不久的，然后巴丁就說：“那行，就先做做超導這個難題，耽誤你幾年時間也沒事，還可以找別的課題再想辦法畢業。”施里弗在尋找超導波函數歷程中也是極其痛苦的，但他是個興趣廣泛的人，包括經常跨領域聽粒子物理學的相關演講報告。在某一次放假返校的火車上，施里弗終于受到粒子物理中某個公式的啟發，寫下來一個看似違反常規的超導波函數，后來證明是對的，當時他只有24歲。而巴丁本人，更是物理學界的傳奇，他是歷史上唯一一位獲得兩次諾貝爾物理學獎的科學家。他的第一次諾獎，就發生在他剛剛組建“超導夢之隊”之初的1956年，因他和貝爾實驗室的肖克利、布拉頓等三人一起發明了半導體晶體管，成為現代半導體和計算機技術的基石。在第一個諾獎的時候，頒獎人問巴丁是否帶家屬過來，他說帶了兩個兒子，但是讓他們在旅館呆著了，沒想到可以來諾獎現場，頒獎人于是半開玩笑說：“那下次吧！”結果還真有下次，而且1972年這次巴丁果斷帶了兒子們去接受諾獎風范熏陶，他們在后來也成為了著名的科學家[6]。巴丁曾于1975年和1980年來中國訪問兩次，在中科院物理所作報告的時候，他道出了成功的秘訣：努力、機遇、合作。也是在這里，在這個時間段，我們組建了中國超導研究的第一支排頭兵，并在后續的超導研究中取得了多項世界前沿的成果，這些科學先驅者如今已開枝散葉培養了一批世界超導研究的主力軍。

圖表 5 巴丁的諾獎證書和兩枚獎章

緊接著，在1973年，超導再度摘得物理諾獎，這次是因為超導的應用研究。布萊恩.約瑟夫森因在超導隧道效應的理論預言(后被稱為“約瑟夫森效應”)，伊瓦爾.賈埃沃因為實驗上實現超導隧道結，和另一位江琦鈴于奈因半導體隧道結等三人分享了當年物理諾獎。約瑟夫森獲諾獎時，年齡僅33歲，僅次于勞倫斯.布拉格 (25歲) 和李政道 (31歲) 的獲獎年齡，而他做出相關研究工作的年齡，也不過22歲，還是研究生二年級階段。在約瑟夫森剛讀研究生的時候，他的導師是當時的超導大牛之一皮帕德，導師要約瑟夫森自己找研究課題。偶然一次聆聽當時的另一個大牛物理學家——菲利普.安德森 (1977年物理諾獎) 的演講，約瑟夫森覺得可能實現兩個超導體之間的量子隧道效應現象。他嘗試用簡單的變分法做了計算，并把初步的結果給導師看，結果招來一頓猛批。約瑟夫森不服，又去將計算結果發給理論大咖巴丁 (時已因BCS理論成名)，又是招來一頓猛批，巴丁說他壓根不相信這么奇怪的結果。幸好，安德森表示了對年輕的約瑟夫森的支持，并鼓勵他撰寫論文發表出來，他總算是勉強畢了業。由于巴丁和導師的反對，約瑟夫森畢業后一度對科研有點心灰意冷。幸好安德森注意到，賈埃沃實際上在2年前就觀察到了超導體之間的隧道電流，并讓同事重復類似實驗，成功觀察到了約瑟夫森理論預言的結果[6]。人們才紛紛相信超導體之間可以存在量子集體隧道效應，并且隧道電流對磁場極度敏感。巴丁也在實驗結果出來之后對約瑟夫森態度來了個180°轉彎，進而努力支持他的科研事業，或許導致了他成功得諾獎。令人遺憾的是，業界的承認也許對約瑟夫森來的晚了一些，他的研究興趣很快從物理轉移到了生物。特別是在晚年，約瑟夫森在一些超自然現象如人體特異功能等做了大量的“科研”，他本人也為之著迷，甚至曾在中國某名牌大學做過相關主題的講演，于是他逐漸淡出了正統科學界視野。約瑟夫森效應是超導電子學應用的基礎，超導量子干涉儀、超導量子比特、超導量子計算機等都依賴于此效應。除了超導的強電應用之外，這開啟了超導應用的另一半天地——弱電應用。特別是超導量子計算機的發展，這些年非常迅猛。

柏諾茲展示La-Ba-Cu-O高溫超導體結構

超導的下一次諾獎在1987年，再度頒給了超導材料研究——高溫超導體的發現，由兩位來自IBM公司的工程師柏諾茲和繆勒獲得。大家不必驚訝于他們的工作單位，因為在當時的大型公司，都設有基礎科研部門，和如今的國家實驗室沒有什么區別，貝爾實驗室就培育了一群如巴丁這樣著名的科學家。柏諾茲是繆勒的博士，畢業后留在公司繼續和導師做研究，目的就是從氧化物陶瓷材料中尋找超導電性。他們的探索并不受大家支持，因為常理上，氧化物陶瓷材料幾乎都是絕緣體， 別說超導，連導電都困難。然而他們并沒有因此放棄，“我們從未想過會獲得成功，我們只能一直保持低調，不停地加班又加班，借同事的設備來完成實驗，”20年后的柏諾茲曾這么回憶道。終于在1986年，他們注意到法國科學家提到一類稀土銅氧化物La-Ba-Cu-O體系具有金屬導電性，隨后他們很快合成了材料，并把電阻測量到了低溫，發現在35 K以下電阻降為零。因為三個樣品里只有一個樣品具有零電阻效應，他們在發表論文時也慎重用了“可能的高溫超導電性”的說法。在來年繼續完成抗磁性實驗測試后，才確定是超導。35 K的臨界溫度看似不高，但是在當時已經突破了超導材料Nb3Ge保持的23.2 K臨界溫度記錄，相對之前總是在20 K之下的低溫超導，這已經算是“高溫”了，故而稱之為“高溫超導體”。柏諾茲和繆勒的論文從1986年6月發表，到1987年10月獲得物理諾獎，間隔16個月，幾乎創下諾獎工作最快得獎記錄。比他們還快的，是兩個中國人——楊振寧和李政道 (獲獎當時持的還是中華民國護照)，于1957年因弱相互作用宇稱不守恒的理論工作獲諾獎[7]。

為什么柏諾茲和繆勒能夠如此之快獲得諾獎，還得歸功于中國/華人科學家的貢獻。在得知柏諾茲和繆勒工作之后，中國科學院物理研究所的趙忠賢團隊和美國休斯頓大學朱經武及阿拉巴馬大學的吳茂昆團隊對此非常興奮，因為剛剛找到的“高溫超導”材料特性和他們探索高臨界溫度超導體的思路非常契合。僅僅過去數月時間，這兩支來自中國和美國的超導探索隊伍不僅完全獨立重復了柏諾茲和繆勒的工作，而且還發現了更高超導溫度的跡象，最終在1987年2月各自獨立成功在Y-Ba-Cu-O體系實現了93 K的超導電性，為此誘發一輪刷超導臨界溫度的科技競賽。從35 K 到 90 K，這個驚人的跨越說明銅氧化物超導材料的優越性，意味著它完全可以進入77 K以上的液氮溫區，替換掉極其昂貴的液氦來維持低溫環境，大規模應用成為可能。

另一方面，按照BCS理論預言，金屬或金屬合金的超導臨界溫度不能突破40 K，稱之為麥克米蘭極限。銅氧化物中的超導，顯然突破了該理論極限，也說明BCS理論本身就存在局限性。一般來說，人們認為能夠突破40 K以上臨界溫度的超導體就稱之為“高溫超導體” (注: 也有說法是20 K)，而不能被BCS理論所描述的超導體稱之為“非常規超導體”。銅氧化物屬于兩者都是的情形，也有一些超導體臨界溫度雖不高，但同屬于非常規超導體。

高溫超導發現在當時是極其轟動的，1987年3月的美國物理學會三月會議，特地專門設立“高臨界溫度超導體討論會”。來自世界各地的3000多名物理學家擠滿了1100人容量的報告廳，狂熱的會議討論一直持續了7個小時，直到凌晨2點才結束。那一次會議被稱為“物理學界的搖滾音樂節”，是超導研究史上劃時代的重要里程碑。雖然人們紛紛揣測為何沒有中國/華人科學家共享1987年的物理諾獎，但最直接的原因是他們的成果公布時間都在1987年1月31日的諾獎提名截止日期之后。令人值得敬佩的是，在當時物資條件和實驗條件都極其匱乏的情況下，中國科學家能夠獨立作出如此重要的世界前沿科學貢獻，實在不易。[8]

圖表 7 趙忠賢帶領的中國高溫超導探索團隊

超導的最近一次獲諾獎，是在2003年由阿列克謝.阿布里科索夫、維塔利.金茲堡獲得，獎勵他們在超導方面的先驅性理論工作，同年獲獎的還有超流理論方面的安東尼·萊格特。這是超導理論研究的第二次獲得諾獎，阿布里科索夫和金茲堡的理論與BCS理論不同，后者是基于量子力學的微觀理論，而前者只是所謂的“唯象理論”。

這里不得不提的是另外一個著名的蘇聯理論物理學家——列夫.朗道，他是蘇聯物理界的奠基人物，對凝聚態物理理論做出了最杰出的貢獻，和他比肩的唯有費米，他們倆共同構建了凝聚態物理的基石——朗道-費米液體理論。正是朗道發明了基于相變和臨界現象的“朗道相變理論”，不僅可以描述超導現象，也能描述超流現象等一系列凝聚態物理中的相變行為。但是朗道的理論是構造了一個想象中的“序參量”為前提，而不理會材料中的具體物理微觀機制，所以稱之為“唯象理論”。金茲堡正是和朗道一同針對超導現象發展出來了超導唯象理論——稱之為“金茲堡-朗道理論”。

然而光有理論方程并不能說明問題，阿布里科索夫發揮了他的數學天分，從數學上給出了這個理論方程的解析解，并將超導體劃分成兩大類。第一類超導體只有一個臨界磁場，之上為有電阻的正常態，之下為零電阻的超導態。第二類超導體具有兩個臨界磁場，上臨界場之上為有電阻、不抗磁的正常態，下臨界場之下為零電阻、完全抗磁的超導態，中間則是具有零電阻但不具有完全抗磁性的混合態。阿布里科索夫特別指出，在第二類超導體的混合態中，磁場可以量子化磁通渦旋的方式進入超導體，每個磁通渦旋對應的磁通量就是一個量子化的最小磁通單位——“量子磁通”，并且它們將組成有序排列的磁通格子。這個理論預言隨后在實驗上被直接觀測到，證明了超導現象是屬于一種量子效應。超導磁通量子的存在，意味著超導體在很多時候電磁特性是非常復雜多變的，這既給超導的強電應用帶來了許多困難，也給超導的弱電應用帶來了許多機遇[9]。因為超導應用方面長久以來的困難性，阿布里科索夫的工作也一直未能得到諾獎委員會的重視。而1962年朗道則早早因液氦等其他凝聚態理論獲得諾獎，也可能是委員會擔心遭遇車禍的這位天才怕挺不了多少年，趕緊發獎了卻遺憾。2003年諾獎時，金茲堡已是87歲高齡，阿布里科索夫已是75歲高齡。不久之后，金茲堡于2009年去世，阿布里科索夫則于2017年去世。確實，欲得諾獎，健康長壽也是重要的前提之一。

圖表 8 阿布里科索夫的諾獎證書

以上和超導直接相關的10位諾獎得主也屬于不完全統計。實際上超導和超流理論研究一脈相承，在許多物理期刊都將其歸為一類。超導BCS理論中的電子配對思想以及對稱性破缺的概念，被廣泛應用于超流和粒子物理領域，如湯川相互作用、希格斯機制等都與之相關。萊格特、朗道等人雖都是頒給了他們超流理論工作，也或多或少與超導相關。湯川秀樹、南部陽一郎和希格斯等人也相繼獲得了物理諾獎。2016年，物理學諾獎頒給了戴維·索利斯、鄧肯·霍爾丹和邁克爾·科斯特利茨三位科學家，以表彰他們在理論上發現了拓撲相變和拓撲物質。其中科斯特利茨和索利斯正是在研究超流和超導現象的時提出了相變的理論模型，稱之為“KT相變”[9]。近年來，對材料拓撲性質的研究，開啟了凝聚態物理新的大門，物理學為此也正在醞釀一場變革。

圖表 9 2016年三位物理諾獎得主

最后，在超導研究方面必定會獲得諾獎的將是高溫超導的微觀理論或非常規超導體的微觀理論。正如前文所述，銅氧化物高溫超導體和鐵基高溫超導體已經無法用傳統的BCS理論描述，其中遇到的困難甚至是突破朗道-費米液體理論的。也就是說，一旦高溫超導微觀理論取得實質性的突破，那么傳統凝聚態物理研究的基石可能將要重建，對整個物理學的影響都是前所未有的。[10]

參考資料

[1] https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/

[2] 施郁, 今天諾貝爾物理獎會給誰？先看看過去的贏家都是誰, 科學網博客, 2017/10/3.

[3] 羅會仟, 周興江, 神奇的超導, 現代物理知識, 24(02), pp 30-39, 2012/2.

[4] 羅會仟, 超導“小時代”之八: 暢行無阻, 物理, 45(04), pp 269-273, 2016/4/12.

[5] 羅會仟, 超導“小時代”之十三: 雙結生翅成超導, 物理, 45(11), pp 734-739, 2016/11/12.

[6] 李昆侖, 不要輕信科學家的話——訪諾獎得主布萊恩·約瑟夫森教授,《國際人才交流》2010年第06期.

[7] 施郁, 引力波得諾獎極快，但是沒有快過兩個中國人, 科學網博客, 2017/10/5.

[8] 劉兵, 對1986-1987年間高溫超導體發現的歷史再考察,《二十一世紀》1995.4.

[9] 于淥，郝柏林，陳曉松. 邊緣奇跡：相變和臨界現象, 北京：科學出版社, 2005.

[10] 向濤, 薛健, 高溫超導研究面臨的挑戰, 《物理》, 46(08), pp 514-520, 2017/8/12.

來源：返樸

編輯：張柒柒

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