超导材料的特殊电磁性质，使得它们具有非常巨大的应用价值。只要有电的地方，都可以用超导来降低损耗、节约能源、提高效率；只要用到磁的地方，都可以用超导来提供稳定、持续、强大的磁场；对于需要用到量子效应的器件，超导更是大有用武之地。在能源、交通、环境、医疗、军事、航天、科研等多个领域，都可以让超导大展身手。

在低温环境下，凝聚态物质中的电子将出现许多神奇的量子现象。当温度降到一定程度之后，某些材料的电阻率会突降为零，同时排斥体内磁通线，使其内部磁感应强度也为零。同时具有如上所述的零电阻和抗磁性两类宏观效应的材料，便称为超导材料，发生超导相变的温度，就是超导临界温度。

1911年，第一个超导体——金属汞在荷兰莱顿实验室被昂尼斯等人所发现。直到今年，超导研究已经悄然走过了百余年的历史。然而倘若和半导体对比，超导的应用则远远尚未普及，甚至并不为多少公众所知。束缚超导应用的，正是超导本身的苛刻条件：温度足够低、磁场不够强、电流不够大，3者中若出现任何一个不利因素，都将极大地阻碍超导的规模化应用。其中最大的困难，是超导临界温度普遍较低。比如金属汞，其超导温度为4.2 K，也即-269摄氏度。维护如此低温的环境，只能依赖于昂贵且稀有的液氦。寻找更高温度乃至室温下能实用化的超导材料，是超导研究群体跨世纪的梦想，至今未能完全如愿。

超导临界温度的提升，可谓举步维艰。从1911年后，经过漫长的43年，到1954年，马蒂埃斯等人发现一类金属合金材料，其中Nb₃Sn具有18 K的超导。与此同时，借助量子物理学的东风，理论物理学家终于在1957年建立了金属及合金材料的常规超导理论，被命名为BCS理论。然而，通过发展BCS理论，人们渐渐意识到一个令人悲观的事实——常规固体材料的超导临界温度似乎存在一个40 K左右的上限，称之为“麦克米兰极限”。马蒂埃斯本人也总结了寻找高临界温度超导体的“黄金六则”：高对称性、高电子浓度、不含氧、无磁性、非绝缘体、不要信理论家。之后又经历了另一个20余年的努力，科学家在这些“信条”的支持下，才在上世纪70年代发现了具有23K超导的Nb₃Ge——一个和Nb₃Sn具有完全类似结构的材料。寻找更高临界温度的超导体，似乎成了不可能的挑战。

僵局在1986年被瑞士IBM公司的两位工程师打破，他们意外地在氧化物陶瓷材料

La_2-xBa_xCuO₄体系发现了30 K以上的超导电性。紧接着1987年，中国科学家赵忠贤等和美国华人科学家朱经武、吴茂昆等人，几乎同时独立发现了另一个铜氧化物超导材料YBa₂Cu₃O₇，超导临界温度一跃到了90K以上。随后几年里，更多的铜氧化物超导体被发现，临界温度提高了135K（常压下）甚至更高（高压下164K）。

铜氧化物超导材料的发现，几乎打破了马蒂埃斯的所有法则：它们具有很强的二维性、电子浓度很低、是氧化物、母体是绝缘体且具有反铁磁性。同时也破灭了理论物理学家的预言，40K的“麦克米兰极限”几乎形同虚设，BCS理论也不再是万能的。新的超导时代——高温超导从此拉开序幕。

人们在为高温超导的发现而欢欣鼓舞的同时，也在努力实现其规模化应用，同时试图理解其复杂的微观机理，希望能够引领大家探索更多更好用的超导材料。转眼又是30余年过去了，除了徒增更多的困惑和无奈，似乎一无所获。因为铜氧化物本身属于陶瓷材料，非常脆弱易碎，导致其机械加工极其困难，绕制均匀的线圈和长距离的输电线都远远比金属超导体难得多。铜氧化物的临界电流密度太低，承载的电流强度有限。其下临界磁场太低，磁通线可以轻易穿入材料，虽不至于破坏零电阻，但却给电磁学应用带来许多不确定性。显然高临界温度这个独特优势，难以掩盖这一系列缺点，铜氧化物超导应用很快就遭遇到了瓶颈。另一方面，实验和理论物理学家都在努力研究其超导机理。多年的实验结果虽然给人们一些提示，更多地是令人头疼的矛盾结论和极其复杂多变的现象。世界上最聪明的理论学家们几乎提出了各种各样的理论，却无一能被人们普遍接受。30年历程基本上告诉我们，传统超导理论甚至传统的固体理论都已不再适应高温超导现象。新的高温超导微观理论，成为整个凝聚态物理学界皇冠上的一颗明珠。

正当科学家们为高温超导一度迷惘不已，甚至开始萌生放弃念头之时，新的超导明星——铁基超导体诞生了。2008年，日本科学家西野秀雄等发现了LaFeAsO_1-xF_x体系存在26K的超导电性，在不到3个月的时间里，中国科学家群体通过稀土元素替换和高压合成的办法，把该体系的临界温度提升到了55K，正式宣布第二大高温超导家族的发现。因为在铜氧化物高温超导研究中的多年历练和积累，在铁基超导的实验、理论和应用研究方面，中国科学家都很快占据并一直坚持在世界最前沿，成为超导研究队伍里最强大的生力军之一。

铁基超导给超导研究带来了新一轮的大好机遇，一是因为材料种类非常丰富，意味寻找共性的机会大大增加；二是因为其物性既接近铜氧化物超导材料，又像传统金属合金超导体，意味其是一条沟通已知和未知的宽广桥梁；三是因为其力学性能较好，应用的难度要降低不少。特别是中国的铁基超导研究，还带来了许多意外收获，如发现高转变温度的稀磁半导体、单层薄膜的界面超导、新型拓扑超导材料、新型重费米子材料等多种量子材料，开辟了更加广阔的研究天地。

纵观高温超导研究的30年，乃至整个超导领域的百余年历史，我们可以得到许多令人深省的科学启示：

1.在探索未知的道路上，不要迷信现有理论，也不要盲从权威论断，坚持自己的信念，并不断努力尝试，抓住难得的运气，突破也许就会降临。

铜氧化物高温超导发现之前，其实就有不少氧化物超导体被发现，少数材料甚至有30K左右的超导，然而并未受到足够的重视。包括德国和俄国科学家在内，都曾研究过La-Ba-Cu-O体系的导电性，而且发现了奇异的线性电阻率，但都非常遗憾未能测量更低温度的电阻，与高温超导的发现差之毫厘谬之千里。铁基超导的发现更是如此，有几位德国科学家研究LaFeAsO及其相关家族数十年，从未寻找过其超导电性，而日本科学家则在寻找透明导电氧化物过程中，偶尔观测到了该体系的超导，并努力将其提升到了20K以上。铜氧化物超导研究经验告诉我们，稀土替代和磁性离子替换对超导都不利，然而中国科学家在铁基超导材料发现历程中完全打破了这两条“戒律”，找到了新的高温超导家族。再广一点，在另几类超导体如重费米子超导体和有机超导体发现的过程中，历史是惊人地类似。束于陈规的科学家往往遭遇“灯下黑”，与重大发现擦肩而过，有想象力和创造力且坚持努力的科学家，往往能取得成功。

2.“板凳要坐10年冷”，科学研究不盲从跟热点，坚持自己的研究特色和方向，同时开阔其他方向的视野，争取做到“不鸣则已，一鸣惊人”。

在超导探索之路上，有许多看似运气稍差的科学家，实际原因往往是他们眼界过于狭窄或未能坚持到底。十分有趣的是，两次高温超导的第一发现人都不是长期从事超导研究的科研人员，但是他们做的研究或多或少都和材料导电性有关，在执著于他们本身的研究目标的同时，他们也敏锐注意到这些材料的超导特性，从而取得了重大突破。在铁基超导发现前夕，铜氧化物超导研究陷入困境，没有轻易放弃的中国科学家们最终抓住了铁基超导的契机，在极短的时间内走在了世界的最前沿。

3.重要科学发现永远不是完美无缺的，它只是一个启迪后续研究的开端，科研永远在路上。

铜氧化物超导体虽然临界温度高，但其他性能却极大限制了应用的发展。铁基超导体虽然应用物理性能较为优越，但绝大部分材料家族都是有剧毒的砷化物，大规模产业化存在安全隐患。这是为何科学家需要不断去探索新的材料，以克服现有的种种困难。

4.一个科学发现给我们带来的不仅仅是它本身的重要性，还包括连带的一系列效应，后者也许影响更加深远。

铜氧化物高温超导材料本身固然重要，但是在研究过程中发现的物理现象、遇到的物理问题和尝试解决问题的方法等，彻底改变了凝聚态物理学。例如这类材料内部电子属于强关联多体体系，突破了目前成熟的理论框架，发展出适合这类体系的理论，将给整个物理学带来革命性的变化。又如，为了克服高温超导实验测量中许多困难，物理学家们变身成工程师和机械师，不断提升仪器设备的测量精度和测量方法，发明了诸如固体核磁共振、高精度扫描隧道谱、高精度激光角分辨光电子能谱、共振非弹性X射线谱等许多先进的谱学手段，为整个物理学研究提供了重量级武器。再如，理论学家通过推广现有的一些超导理论，可以用于描述宇宙学、相对论、冷原子等多个物理领域，并取得了许多重要突破。 最后，铁基超导的相关研究催生了一系列新材料的发现。新材料探索就像在电子海洋里钓鱼，你也许期待钓上一条超导鱼，但钓上另一条新材料鱼，也是惊喜呢！

5.基础研究需要持续稳定的资助，并且需要长远的布局意识，而非图一时之快。

由于中国科学家在铜氧化物高温超导的杰出贡献，我国在上个世纪80年代就成立了超导国家实验室，并在全国范围内布局和培养相关人才。正是有了这些关键基础积累，中国才在铁基超导研究领域再次引领世界。细究下去，其实也有不少遗憾。实际上中国科学家也早就注意到铁磷化物/铁砷化物可能有高温超导，然而因为缺乏惰性气体手套箱等防护设施，耽误了科研进度，被日本人抢先发现26K的超导电性。但在后续的铁基超导材料探索中，中国科学家一直在唱主角。

总而言之，高温超导的研究一直作为凝聚态物理研究前沿，其历程值得我们不断借鉴和思考。在这一重要领域做到持之以恒，必将在未来给我们带来无数惊喜。

（作者：中国科学院物理研究所副研究员）