物理4 细野秀雄、朱经武、吴茂昆：超导领域三学者获得2021年诺贝尔物理奖
2021年诺贝尔物理学奖得主：
细野秀雄（Hideo Hosono）、朱经武、吴茂昆（从左往右）
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日本东京工业大学教授细野秀雄（Hideo Hosono）【美国休斯敦大学教授朱经武、原台湾清华大学教授吴茂昆】由于铁基超导而荣获了本年度的诺贝尔物理奖。
磁性元素铁不利于超导，这是长久以来传统认知。而细野秀雄团队于2008年发现第一个以铁为超导主体的化合物LaFeOP，打破了这一迷思，加速了高温超导机理的解决进程，扩展了超导体的应用范围，更拓宽了超导研究的边界。
撰文 | 余其身 林 梅
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超导体的发现始于上世纪初，距今已有百余年的历史。从1911年荷兰物理学家卡麦林·昂尼斯（Heike Kamerlingh Onnes）发现超导现象之后，它的各种奇妙性质，吸引着人们用各种方式理解着背后的物理原理，也催生了人们对于其应用的无数构想。
当时的物理学界认为，金属之所以有电阻，一是因为杂质和缺陷造成的电子散射，二是由于晶格震动引起的散射。那么，如果把金属提得非常纯，再降低到极低的温度，它的电阻会呈现什么现象呢？果然，昂尼斯发现汞在4.2 K时电阻为零。两年后，人们确认这就是超导性。
既然电阻为零，那么超导体就是理想导体咯？非也，这就要说到超导体的另一条更重要的性质——内部磁感应强度等于零，即完全抗磁性，也就是著名的迈斯纳效应。
1933年，德国科学家迈斯纳（Meissner）发现了超导体的 “抗磁性”，即不超过一定阈值强度的磁场无法穿过超导体。之后，迈斯纳效应成为超导体的特征现象，这导致人们认为，由于含铁材料易于被磁化，所以不会成为超导体。
电阻为零和内部磁感应强度等于零，是超导体的两个重要性质，后者更是超导体特有的性质，它颠覆了人们对超导体是理想导体的认知。
根据欧姆定理和电磁感应定律，“理想导体”中的磁场应该像被“冻结”一样，不可能随时间变化。可是实验上观察到的现象并非如此，人们发现，即使在金属进入超导态之前加上磁场，超导体一旦形成，内部磁感应强度为零，磁场“消失”了。也就是说，超导体并非人们从前理解的理想导体。
30-50年代，科学家们提出多种解释如伦敦方程和G-L理论解释迈斯纳效应，但人们对于超导的理解仅仅停留在现象上，至于微观层面上的发生了什么，并没有完美的解释。究竟是什么样的微观机制，使其具有各种神奇的性质呢？
这个问题要由约翰·巴丁（John Bardeen）、利昂·库珀（Leon Cooper）和罗伯特·施里佛（Robert Schrieffer）三人来解释，1957年，他们的BCS理论成功地解释了电子对之间如何相互吸引，从而解释了传统金属和合金的超导电性。McMillan在此基础上甚至认为超导临界温度大约不会高于40 K，以至于后来发现的高于40 K的超导体也被称为“高温超导体”。
可是，超导现象一直好像只能属于30 K以下的低温，特别是BCS理论也给出了40 K超导临界温度的估计，想提高超导温度似乎遥不可及。
但是，1986年IBM 的科学家柏诺兹（Georg Bednorz）和缪勒（Alex Müller）发现了铜基超导体（cuprate superconductor），提出 “La2-xBaxCuO4 可能是临界温度Tc >30 K的超导体”。这个发现冲破了此前保持了十多年的23 K的超导临界温度记录，揭开了席卷全球的高温超导热潮。这一发现是超导研究的一个里程碑。
经过各个国家科学家努力，铜氧化合物高温超导体的研究很快达到90K的临界温度，这不仅超过了BCS理论所预言的40 K 的Tc上限，更重要的是，它扩大了超导理论的应用范围，将超导的应用扩展到了液氮温区。
高温超导的第二个热潮就是铁基超导体的发现。
细野秀雄的工作
2008年日本细野秀雄小组报道LaFeAsO体系有26 K的超导电性。传统上认为铁对超导是不利，所以26 K的铁基超导是非常重大的突破。
这是一个细野秀雄自己认为非常意外的发现。
尽管周围很多人都是在受到1986年铜基超导体发现的鼓舞后就投入了这一领域，细野秀雄当时并未及时跟进。因为他 “看不到如何赢得这场竞赛”。他相信科研工作制胜的唯一可能性就在于原创性。如果起始点的原创性都不清晰，就没必要浪费精力。细野秀雄当时的主要研究对象是透明材料，他本人对这种材料的透明性非常痴迷，并且已经持续研究了十多年。
大概在2000年左右，铜基超导体的超导转变温度的提升达到了上限。超导领域的研究人员都认为没有必要再浪费精力尝试新材料了。而2007年，细野秀雄发现自己之前研究过多年的一种水泥材料（C12A7）可以变成超导体，这符合他的预期。然而意外的是，它的超导转变温度很低。这一意外引起了细野秀雄从事超导研究的兴趣。
2008年，细野秀雄团队宣布了以铁为主要成分的高温超导体——铁基超导体的发现。该发现推翻了业内的上述普遍观点，即认为像铁那样具有大磁矩的元素是不利于超导性的实现的。铁基超导的发现震撼了整个超导领域，引发了世界范围内对具有高超导转变温度的新材料的继续搜寻，重新燃起了超导体的研究热情。
2008年报导铁基超导体发现的论文当年引用数最高。截至2020年5月，已经被引用超过5000次。
铁基超导体应用范围比铜基超导体更广泛。由于其金属性，更加容易被加工成线材和带材，而其可承载的上临界磁场/临界电流和铜基超导体相当，甚至有可能更优越。
中国团队处于领先地位
在细野秀雄团队发表成果后，以赵忠贤院士为首的中国科学家敏感地意识到，LaOFeAs不是孤立的，26 K的转变温度也大有提升空间，类似结构的铁砷化合物中很可能存在系列高温超导体。
很快中国科学家们突破传统超导理论的McMillan 极限，并发现临界温度可以高达 55 K的系列铁基超导体。2008年3月，中科大陈仙辉研究组和物理所王楠林研究组同时独立在掺F的SmOFeAs和CeOFeAs中观测到了43 K和41 K的超导转变温度，突破了麦克米兰极限，从而证明了铁基超导体是高温超导体。
2008年3月28日，中国科学院物理研究所赵忠贤领导的科研小组利用轻稀土元素替代和高温高压的合成方案，报告了氟掺杂镨氧铁砷化合物的高温超导临界温度可达52 K。4月13日该科研小组又创造了氟掺杂钐氧铁砷化合物超导临界温度进一步提升至55 K的记录。
铁基超导体的发现，掀起了高温超导研究的第二个热潮。它同样对传统BCS超导理论提出挑战，铁基超导体不仅有丰富的物理内涵并有重要的应用价值。在这次热潮里，中国科学家走在了国际超导研究的前沿。
可是，高温超导材料的超导机理是什么呢？传统材料能不能获得更高的临界温度？甚至传说中的室温超导能否实现？
这些激动人心的课题还会吸引着科学家的目光，继续人类的探索。
细野秀雄简介及其他工作
细野秀雄1953年生于崎玉县，1977年获东京都立大学工学学士学位，1982年在东京都立大学取得工学博士学位后，任名古屋工业大学助理教授。1993年回到东京，进入东京工业大学，起任助理教授。1999年成为东京工业大学材料与结构实验室教授。2004年任东京工业大学前沿研究中心教授。2012年起任东京工业大学元素战略材料研究中心主任。
除了铁基超导体的发现，细野秀雄在超导领域的另一重要贡献是发现了超导电性的一个新区域（他将其命名为SC-2）。他们把载流子掺入具有磁性的母体材料，当磁性消失后，就出现超导电性。之前，业界一直认为，含铁材料只有未掺入载流子时才可用作母体材料。 在该研究中，秀雄团队证实了母体材料也能被大量载流子掺杂。也就是说，他们发现了第二种母体材料。这一发现至今仍是研究热门，被认为将会产生超导电性研究的新发展。这一超导新区域的发现也直接联系于另一项关键技术——负氢离子。如果不是负氢离子的使用，就不可能发现新的超导区 SC-2。细野秀雄认为，这是只有他们团队才可能做出的工作，并为此感到自豪。 超导体是临界温度下，电阻为零且具有完全抗磁性的导体（为区别于电阻为零的理想导体，超导性选择在电阻低于10-5Ω），为荷兰科学家昂纳斯（Heike Kaerlingh Onnes）于1911年所发现。昂纳斯通过液氮制冷这一关键技术发现了汞（Hg）在温度降至4.2K（-268.95℃）时电阻消失的现象，他将其命名为超导电性。由于这一发现开创了低温物理学和超导物理学两个学科，昂纳斯获得了1913年的诺贝尔物理学奖。 受到超导电性可以明显减小电能损失这一应用潜力的驱动，超导体一出现就吸引了大量注意。但是由于极低的临界温度（即材料具有超导性所需的超导转变温度）限制了其实际应用，此后的超导物理学研究致力于搜寻并提高材料的超导临界温度。
细野秀雄的研究风格使得他能够在多个领域均有建树。他不仅仅引领着铁基超导的研究，被用于智能手机显示屏和平板电脑的透明氧化物半导体氧化铟镓锌（IGZO）也是他的主要研究内容之一。此外，在催化剂研究中，细野秀雄还尝试过改变已经沿用了近百年的氨水合成工艺。他对材料研究始终充满热情，即使在近70岁高龄的现在，仍带领团队持续搜寻新型功能材料。
除了超导研究之外，细野秀雄现主要从事过的还有半导体的磁化性质研究。他还尝试过氧化物半导体的新应用。例如，同时可用于半导体存储和磁存储的氧化物半导体，以及同时可用于电路和磁存储的氧化物半导体。正是在这些研究中发展的电子掺杂技术成为了他发现铁基超导体的关键技术，就如同当年的液氮技术之于超导性的发现一样。 铁基超导体所受到的广泛赞誉使细野秀雄有机会在2009至2013年期间参加了日本政府资助的项目 FIRST（Funding Program for World-Leading Innovative R&D on Science and Technology），在其中从事 “新超导体及相关功能材料探索和超导线的工业应用” 的研究。细野秀雄为该研究建立了一个由日本专家组成的顶级团队，以搜寻新超导体并提高超导转变温度。他们尝试了大约1000种材料，在其中发现了25种超导材料。该团队在超导材料搜寻中所达到的2.5%的成功率是惊人的。
细野秀雄始终认为在科研工作中取得成功的秘诀，就是在全球范围内的原创性。他在研究工作开始之前都会首先确认其原创性，否则宁可放弃该课题。
细野秀雄是日本陶瓷学会会员、日本应用物理学会会员、日本化学学会会员、日本激光学会会员、美国陶瓷学会会员、和美国物理学会会员。先后获得过包括美国物理学会新材料奖和路透引文奖等十余项海外奖项和五十余项日本国内奖项。
王佳：【以下感觉希望渺茫。铜基超导体已经得过诺奖了】
朱经武
朱经武（Paul Ching Wu Chu）1941年12月出生于中华民国湖南长沙，1948年随父母迁移至台湾省台中县清水镇（现台中市清水区）。之后，他毕业于台湾省立清水中学（现台中市立清水高级中等学校）初中部及高中部，1962年在台湾省立成功大学（现国立成功大学）取得理学学士学位，1965年取得纽约福坦莫大学的理学硕士学位，1968年在加州大学圣地亚哥分校取得物理学博士学位。毕业后，朱经武在新泽西贝尔实验室从事工业研究工作。
1987年，休士顿大学德州超导中心委任朱经武为首位主任。同年，朱经武与吴茂昆等人首次宣布得到了90K以上电阻消失的超导体。2001年至2009年，朱经武担任香港科技大学校长，如今他是休斯顿大学物理系教授。朱教授是俄罗斯工程学院、美国科学院、美国人文及科学学院、中国台湾中央研究院、中国科学院及发展中世界科学院六院院士。此外，朱教授屡获殊荣，包括美国科学家最高荣誉的国家科学奖及马蒂亚斯奖。他又获颁工程界最崇高的约翰弗里茨奖，爱迪生、贝尔及费米等杰出科学家。朱的妻子陈璞是着名数学大师陈省身的女儿。
吴茂昆
吴茂昆（Maw-Kuen Wu）教授是著名的超导科学家。他1949年12月6日出生于台湾花莲，1973年毕业于淡江大学物理学系，1975年获淡江大学物理学研究所硕士学位，1981年美国休斯顿大学物理学博士。他曾执教休士顿大学、台湾清华大学，现任职中央研究院物理研究所。
1987年，当时任教于阿拉巴马大学亨茨维尔分校的吴茂昆与朱经武教授发现世界上第一个高于液态氮温度的超导体——钇钡铜氧超导体（YBa2Cu3O7-δ Tc~92K）。据科学引文索引资料库 Web of Science，他们合作的论文 “ Superconductivity at 93 K in a new mixed-phase Y-Ba-Cu-O compound system at ambient pressure ” 自1987年3月于美国物理学会期刊《物理评论快报》发表以来已获期刊论文引用超过8713次（截至2020年10月1日统计数据）。 他们第一次超越液态氮沸点（77K, 绝对温度77度）而将超导温度从30K提升到90K（摄氏零下183度）以上。这项成就突破了自1911年海克·卡末林·昂内斯发现超导现象后七十多年的研究瓶颈，为临界温度高于77K的材料称为高温超导体下了定义。两人的发现对超导体的科学与商业应用颇具影响。
吴茂昆教授先后获得多项学术荣誉，包括1988年的美国国家科学院Comstock奖、NASA 杰出贡献奖、阿拉巴马大学研究奖、美国中华工程师协会年度奖，1989年的淡江金鹰奖，1994年的马蒂亚斯奖（Bernd T. Matthias Prize）和1995李远哲杰出人才奖。他还于1994年当选中国物理学会会士，1998年当选亚太国际材料学院院士和中央研究院院士，2004当选第三世界科学院院士。
参考文献：
制版编辑 | 卢卡斯
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