不可能”的成功——高温超导体的发现

  1986年初，一条爆炸性的消息像风一样席卷全世界——瑞士IBM实验室的两位科学家发现了“高温超导体”.很快，一股高温超导热在全世界范围内兴起，美国、日本、中国……许多科学家都在争先恐后地宣布自己发现了新的高温超导体。一时间，这个原本鲜为人知的科学名词竟然成了街头巷议的热门话题，而他们的发现者米勒和贝德诺尔茨也令人惊讶的速度获得了第二年的诺贝尔物理学奖。

20年后，当我们回顾这一重大的科学发现的历史时，我们感受最深的究竟时什么呢？

从超导的发现说起

看过好莱坞电影《蝙蝠侠与罗宾汉》的话，外号“冷冻人”的维克多博士肯定给你留下了深刻的印象。影片中，他是一位曾经获得诺贝尔奖的科学天才，但他身体在一次意外中产生了变异，只能特殊的急冻设备维持正常生活。为继续研究可以晚会妻子生命的药方，维克多试图用他独创的急冻武器冰封整个城市，以此要求政府拨款。

无独有偶。在美国动画片《超人总动员》中，那位踩着冰雪滑板疾驰而来的急冻侠，一定也会让爱做梦的青少年羡慕不已吧！

无论是冷冻人的急冻武器，还是急冻侠的冰冻异能，都是将温度急剧降低，从而获得冰冻的效果。其实，在现实中，科学家们很早就已经开始对低温现象进行研究了。许多年来，人们一直试图吧温度降下去，可是知道20世纪初，人们才如愿以偿，一步一步接近了自然界低温的极限——绝对零度。在科学上，绝对零度是最低温度，我们把它记为0K，相当于-273°C。

奇异的低温世界总隐藏大量的奥秘，当温度逐步下降是，许多材料会发生有趣的物理变化。超导就是其中之一。

    1911年，荷兰莱顿大学的卡末林-昂内斯在实验中意外发现，将汞冷却到-268.98°C时，汞的电阻突然消失了。后来他又发现，许多金属和合金具有与汞相类似的特性，会在低温下失去电阻。对于低温下物质的这种特殊的导电性能，卡末林-昂内斯称之为超导态，而把处于超导状态的导体称之为“超导体”。这一发现在世界范围内引起了震动。由于这一发现，卡末林-昂内斯获得了1913年的诺贝尔物理学奖。

超导体的发现之所以这么重要，是因为超导体具有许多特殊的性质。其中最重要的一个性质是，超导体的直流电阻会在一定的低温下突然消失（这被称作零电阻效应）。既然没有了电阻，电流在流经超导体时就不会发生任何损耗，从而可以毫无阻力地在导线中流过。

电可以完全没有损耗地通过超导体传输！这该是多么有应用价值的一个发现阿！它将有可能从根本上改变人类使用电力的方法。因此，人们对这个新发现寄予了极大的希望，希望能以此缓解人类越来越严重的能源危机。

可是，尽管有着美好的前景，但几十年来，超导体的应用却始终没有取得多大进展。阻碍它得到广泛应用的最重大的障碍之一，就是已知超导体的临界转变温度太低。我们知道超导材料只有处于临界温度以下，才能表现出超导特性。然而在超导发现之后的半个多世纪里，虽然科学家们百般努力，但也仅仅将超导才料的临界转变温度由最初的4.2K提高到了23.33K，也就是-250°C左右。如此之低的温度，要用十分昂贵的液氦设备进行冷却才能获得，这大大限制了超导材料的适用性。

如果能把临界温度提高到液氨温区（7K以上），那问题就简单多了。于是，为了提高超导材料的实用性，人们开始探索“高温超导”的历程。需要说明的是，这里所谓的“高温”是相对而言的，并不是我们日常生活中的高温。其实，我们现在发现的高温超导体，其临界温度也在摄氏100度以下，在一般的人眼中还是绝对的“低温”呢！

然而，令人沮丧的是，这个看来很容易实现的目标，却遇到了极大的障碍，似乎成了一个难以实现的梦想。整整70年过去了，在经历了无数的挫折和失败后，超导体的研究陷入了僵局。

那么，提高超导临界温度的关键究竟在哪里呢？

一位闯进超导领域的“新手”

将超导材料的研究从低潮中挽救出来的，是瑞士科学家米勒。米勒1927年4月20日出生于瑞士的巴塞尔。1947年，他进入了苏黎世瑞士联邦工学院数理系学习。在他入学之前，正值第一颗原子弹爆炸，因此一年级时许多同学都对核物理产生了兴趣。有意思的是，米勒曾一度想读机电工程，但物理实验老师说服了他。后来又有一位杰出的教授，使米勒最后下决心从事物理学研究。这位教授就是大名鼎鼎的泡利，量子力学史上的著名人物之一。

在大学毕业后，米勒曾到联邦工学院的工业研究部工作过一年，然后又继续攻读博士学位。1958年在联邦工学院获得博士学位后，他来到日内瓦巴特尔研究所工作，后来成为了核磁共振组的主任。巴特尔研究所的所长西曼博士是著名的罗马俱乐部的领导人之一，有着独特的个性。他经常重复这样一句话：“应该寻找异常情况。”这给米勒留下了深刻的印象。

1962年，米勒被任命为苏黎世大学讲师。1963年，他到国际商用机器公司（IBM）的苏黎世研究实验室，继续从事物理学研究。1970年，米勒升任苏黎世大学教授。

多年来，米勒一直在材料科学领域，特别是电介质方面的进行卓有成效的研究。相对来说，在超导研究领域，米勒只能算是一名“新手”了。1978年，米勒去IBM在美国纽约的沃森研究实验室作休假研究。正是在这里，米勒接触到了超导问题，他立刻对此处产生了浓厚的兴趣。

绝妙的灵感

在米勒进入超导研究领域时，从事超导研究的科学家大多把目光集中在金属及其合金上。超导体，故名思义，就是“超级导体”，所以要寻找更好的超导材料，自然应该把重点放在本身就是优良导体的金属及其合金身上。这在大多数超导专家看来，完全是理所当然的事情。

可是，作为超导研究领域的一名“新人”，米勒的眼界却更加开阔。在认真分析了早期的研究成果后，米勒从被这些科学家所否定的研究方向上找到了突破点。米勒的灵感告诉他，不能将眼光囿于传统的金属材料，我们平常所谓的“绝缘体”也可能是更加神奇的超导体！

这真是一个绝妙的灵感。我们知道，在普通的温度下，绝缘体是完全不能导电的。可是现在，米勒却提出，如果把绝缘体降低到一定温度之下，他就有可能变成一种超导体。

米勒的想法并非完全是空穴来风，而是有着实验支持的，这就是所谓的金属氧化物超导体。早在1964年，人们就已经发现了第一个氧化物超导体——锶钛氧化物，其临界温度只有0.3K。此后，人们又陆续发现了一些氧化物超导体，不过临界温度都在10K以下。1975年，发现了临界转变温度为14K的钡铅铋氧化物超导体。

令人不解的是，金属氧化物一般都是非导体，可是其中某些组成却可以在低温下变成超导体。这个事实无疑是对现有的物理学理论的挑战。可是，由于此后对氧化物超导体的研究再也没有出现过更惊人的进展，它也逐渐被人们遗忘了。

米勒却对这些没有多少人注意的氧化物超导体产生了兴趣。他通过理论分析发现，绝缘体重束缚电子的强大原子力，有可能推动电子更加自由地移动，从而使其转化为超导体。米勒相信，自己地思路是正确的。米勒确定了自己的研究方向之后，就开始主攻氧化物超导体材料。没有想到，正是这一条朦胧不清的道路，却最终引导米勒作出了突破性的发现。

柳暗花明又一村

1983年夏，米勒邀请并说服了在同一实验室工作的贝德诺尔茨一起进行研究。贝德诺尔茨1950年5月16日生于德国，曾在明斯特大学学习化学，后又改学矿物学和晶体学，这些基础知识在后来超导的研究中发挥了很好的作用。1977年，贝德诺尔茨来到瑞士联邦工学院固体物理实验室，在米勒和另一位教授的共同指导下做博士论文。1932年，他加入了IBM苏黎世研究实验室，并在这里一共待了10年。米勒对这位年轻人的深邃洞察力、工作能力和顽强毅力留下了深刻的印象，他们两代人之间的合作默契而富有成效。

为超导研究的非主流团体，米勒和贝德诺尔茨缺乏共同体的支持和交流，因此面临着巨大的困难和压力，但米勒等人凭借着自己坚韧的科学意志坚持了下来。

研究之路充满了坎坷。在两年多的时间里，他们进行了各种实验，研究了许多种镧镍氧化物，但效果都不理想，没有取得什么有价值的进展。实验一时间陷入了僵局。

正在米勒等人为之苦恼时，机遇降临了。1985年，他们在查阅文献时，偶然看到法国科学家米歇尔写的关于催化剂的论文。米勒注意到，米歇尔的论文中提到了含钡和镧的氧化铜，其性质和他们在苦苦寻找的超导体材料的性质十分接近。

这真是“山重水复疑无路，柳暗花明又一村”，米勒立即将注意力转向了这种含铜的氧化物，在这一方面开展了研究，并最终取得了重大突破。

1986年1月，米勒和贝德诺尔茨在自己制备的钡镧铜氧化物样品中，利用电阻测量观察到了30K的起始转变温度。这是一个绝对令人兴奋但又有些难以置信的结果。4月17日，他们在德国的《物理学杂志》发表论文《钡镧铜氧系统中可能的高温超导电性》。在文中，他们宣布，由镧(La),铜（Cu），钡（Ba），氧（O）等元素组成的一种陶瓷在-243°C出现了超导电性，从而打破了铌锡化合物（Nb3Sn）保持了十多年的超导临界转变温度记录。

米勒和贝德诺尔茨在做出了这一重大发现时，抱着一种非常谨慎的态度。他们只是说“可能有”，因为他们当初尚未对超导体的另一重要特性——抗磁性进行观测。在此之前曾有多次教训，不止一次有人宣布“发现”了高温超导体，后来都证明是某种假象所误。但很快，日本东京大学的几位学者证实了这种化合物具有完全的抗磁性。高温超导体诞生了！

一场国际性的竞逐

米勒和贝德诺尔茨的发现立刻震动了世界科技界，因为它突破了传统理论估计的临界温度上限，也冲破了多年来超导材料只限于金属及其合金的局限，从而使人们进入在多元化体系中探索高温超导体的新领域。

很快，一场国际性的科学竞逐开始了。世界各国的数百个实验室投入了寻找高温超导材料的科学竞赛。

紧接着米勒和贝德诺尔次，日本东京大学工学部将超导温度提高到37K;12月30日，美国休斯敦大学宣布，美籍华裔科学家朱经武将超导温度提高到40.2K；1987年1月初，日本川崎国立分子研究所将超导温度提高到了43K；不久，日本综合电子研究所又将超导温度提高到了46K和53K；很快，中国科学院物理研究所赵忠贤、陈立泉研究组获得了48.6K的锶镧铜氧系超导体；2月15日，朱经武、吴茂昆宣布获得了98K超导体；2月20日，中国宣布发现100K以上超导体；3月3日，日本宣布发现123K超导体……

在不到一年的时间里，超导体的临界温度迅速提高了100度，从而进入了液氮温区。高温超导体的巨大突破，使人们可以用液氮代替液氦作为超导制冷剂获得超导电性。氮是空气的主要成分，液氮的制冷效率比液氦至少提高了10倍，而且制冷设备简单，现有的高温超导体虽然还必须用液氮冷却，但已经为超导技术走向大规模开发运用铺平了道路。因此，高温超导体的发现被认为是20世纪末最重大的科学发现之一。

    1987年，米勒和贝德诺尔次荣获当年的诺贝尔物理学奖。值得一提的是，就在一年前，同样在IBM苏黎世研究所实验室工作的罗雷尔和宾尼希，因为发明了隧道扫描显微镜获1986年诺贝尔物理学奖。连续两年，有四人获得诺贝尔物理学奖，这对于IBM研究实验室真是莫大的荣誉。

审视灵感的产生

今天，我们重新审视米勒获取灵感并取得成功的过程，可以发现有两个因素起着十分关键的作用，其一是米勒开阔的研究视野和无谓的创新精神，其二是米勒对研究方向的坚持和对机遇的把握能力。

在对科学发展的理论进行演技是，美国科学哲学家库恩曾提出“科学范式”的概念。通俗来讲，科学范式就是一些被大多数科学家共同接受的基本理论和定律、共同使用的一套用以逻辑推理和数学演算的符号系统、共同信任的仪器和实验方法，以及解决问题的典型方式等。科学家在进行科学研究的过程中，往往都会遵循一定的科学范式，这些科学科学范式为科学家提供课进行科学研究的理论框架，指导科学家选择研究方向和具体研究课题、进行科学观察和科学实验。科学家在这些科学范式的指导下进行研究，互相交流和借鉴经验，在一定的时间内，的确加快了科研的进程。

但凡事有利就有弊，对科学范式的依赖同时也局限了科学家的事业，束缚了他们的思维模式。有的时候，过多依赖于科学范式，往往会束缚科学灵感的产生，在进行开拓型的研究或试图做出新发现时尤其如此。

在米勒进入超导领域时，从事超导研究的科学共同体已经形成了一些科学范式，其中主要的一个方向就是把目光集中在金属及其合金上。而米勒作为一个超导研究领域的“新人”，并不属于这些主流的科学共同体，还没有受到这些科学范式太多的影响。因此，他的思想也更加开放。他没有重复去走大多数人的老路，而是在被人遗忘的地方找到了突破点。

可以说，正是米勒开阔的研究视野和不盲从权威、自信的创新精神，才使得他得以产生通向成功之路的灵感。