超導(dǎo)作為凝聚態(tài)物理前沿領(lǐng)域之一，百余年來(lái)長(zhǎng)盛不衰，截至2025年相關(guān)研究促成了至少5次諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，獲獎(jiǎng)人數(shù)至少10人。他們因何獲得諾獎(jiǎng)？都有哪些重要發(fā)現(xiàn)？

撰文 | 羅會(huì)仟（中國(guó)科學(xué)院物理研究所）

圖表 1 因超導(dǎo)獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的十位科學(xué)家

每年的十月初，科學(xué)界都要熱鬧一波，因?yàn)檫@是諾貝爾獎(jiǎng)的宣布時(shí)間。雖然諾獎(jiǎng)并不代表最高學(xué)術(shù)研究水平，但卻已經(jīng)被潛移默化成為了科學(xué)界的最高榮譽(yù)。自從1901年第一屆諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給倫琴以來(lái)，百余年里已有200多位科學(xué)家榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)[1]。在物理諾獎(jiǎng)的歷史上，天體物理、粒子物理、原子分子與光物理、凝聚態(tài)物理等四大領(lǐng)域風(fēng)水輪流轉(zhuǎn)，細(xì)數(shù)下來(lái)，凝聚態(tài)物理相關(guān)的諾獎(jiǎng)約有50位左右[2]。在這些科學(xué)家中，至少有10位科學(xué)家是直接因?yàn)槌瑢?dǎo)的相關(guān)研究獲得物理諾獎(jiǎng)。他們分別是：卡末林·昂尼斯 (1913年)，約翰·巴丁、列昂·庫(kù)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(guān)于超導(dǎo)的故事，或許都可以從諾獎(jiǎng)的歷史中尋找到痕跡。那些因超導(dǎo)獲獎(jiǎng)的科學(xué)家，每個(gè)人都是一部有趣的傳奇。

萊頓大學(xué)關(guān)于昂尼斯獲得液氦的紀(jì)念碑

1913年，卡末林.昂尼斯因?yàn)榈蜏匚镄缘难芯恳约耙汉さ某晒χ苽浍@得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。其中，低溫物性的研究?jī)?nèi)容，就包括他在1911年發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)超導(dǎo)體——金屬汞。發(fā)現(xiàn)金屬汞超導(dǎo)的關(guān)鍵，就是獲得液氦以提供低溫環(huán)境。根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，把各種氣體進(jìn)行加壓就能變成液體，對(duì)應(yīng)液化的氣體其沸點(diǎn)在常壓下很低，例如氮?dú)庠诔合碌姆悬c(diǎn)就是 77 K，進(jìn)一步減壓制冷可以達(dá)到 40 K左右的低溫環(huán)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(gè)最輕的氣體尚未液化。昂尼斯在荷蘭的萊頓大學(xué)建設(shè)了低溫物理實(shí)驗(yàn)室，其主要目的就是攻克氫氣和氦氣的液化。經(jīng)過(guò)好友范德瓦爾斯 (1910年物理諾獎(jiǎng)) 的指點(diǎn)，昂尼斯意識(shí)到光憑理想氣體狀態(tài)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(shù)。終于，在1908年7月10日，昂尼斯實(shí)現(xiàn)了氦氣的液化，獲得液氦在常壓下的沸點(diǎn)為4.2 K。利用液氦進(jìn)一步減壓制冷，可以達(dá)到約1.5K的低溫環(huán)境，而He-3制冷則可以達(dá)到0.1K以下的低溫。

昂尼斯的成功，開(kāi)啟了低溫物理學(xué)的大門。在此之前，人們對(duì)金屬在低溫下的導(dǎo)電性并不了解，因?yàn)楫?dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)條件根本達(dá)不到接近絕對(duì)零度的低溫。人們紛紛猜測(cè)，金屬電阻率可能在低溫下會(huì)出現(xiàn)迅速增大到發(fā)散的現(xiàn)象，或者降低到一定程度就停留在因雜質(zhì)和缺陷導(dǎo)致的剩余電阻率值上。昂尼斯則一直認(rèn)為，如果測(cè)量純度極高的金屬材料，就有可能在趨于絕對(duì)零度時(shí)候，電阻率持續(xù)不斷減小到零。有了液氦這個(gè)低溫武器，昂尼斯很快就測(cè)量了各種金屬的低溫電阻率，然而室溫下導(dǎo)電性最好的鉑、金等到了低溫都是具有一個(gè)有限的剩余電阻率。

終于在1911年，昂尼斯讓實(shí)驗(yàn)室助手開(kāi)始測(cè)量金屬汞的低溫電阻率，主要是因?yàn)楣梢哉麴s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(gè)普通周末發(fā)生了，實(shí)驗(yàn)室助手在測(cè)量汞的低溫電阻時(shí)，發(fā)現(xiàn)跨越4.2 K的時(shí)候，突然測(cè)不到電阻了，即讀數(shù)要低于儀器的分辨率10^（-5）歐姆。昂尼斯聽(tīng)過(guò)這個(gè)事情后，立刻讓助手們重復(fù)了實(shí)驗(yàn)，并在他的筆記本上記錄了“超級(jí)導(dǎo)電”的字樣。但是因?yàn)樵?.2K恰好和液氦沸點(diǎn)重合，令人不禁懷疑測(cè)量是否有問(wèn)題。昂尼斯和同事們又花了數(shù)月時(shí)間確認(rèn)這個(gè)現(xiàn)象，才慎重在荷蘭萊頓大學(xué)學(xué)報(bào)上發(fā)表相關(guān)結(jié)果，并命名為“超導(dǎo)”。

證明超導(dǎo)體電阻率是否為零，其實(shí)是一件非常棘手的事情。萊頓大學(xué)低溫物理實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)員即使在昂尼斯去世后16年，仍然在重復(fù)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，不斷提高實(shí)驗(yàn)精度。最終，人們證明超導(dǎo)體的電阻率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)比室溫下電阻率最低的常規(guī)金屬鉑還要小十個(gè)數(shù)量級(jí)，如果在超導(dǎo)環(huán)里實(shí)現(xiàn)一安培的穩(wěn)恒電流，那么可以持續(xù)穩(wěn)定地保證一千億年不衰減，比宇宙的年齡都還要長(zhǎng)！在這種情況下，人們完全可以認(rèn)為超導(dǎo)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(dǎo)材料發(fā)現(xiàn)的年代及其臨界溫度

1972年，時(shí)隔近60年后，超導(dǎo)才再度獲得諾貝爾獎(jiǎng)。三位獲獎(jiǎng)?wù)呒s翰.巴丁、里奧.庫(kù)伯、約翰.施里弗的獲獎(jiǎng)理由是：“因其共同發(fā)展的超導(dǎo)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(jiǎng)主要頒給了量子力學(xué)、粒子物理和天體物理，更直接的原因是超導(dǎo)領(lǐng)域在當(dāng)時(shí)并不夠火。昂尼斯發(fā)現(xiàn)第一個(gè)超導(dǎo)體之后，許多金屬單質(zhì)都被陸續(xù)證明是超導(dǎo)體，在許多金屬合金中也發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)，但令人郁悶的是，它們的臨界溫度都極低，幾乎統(tǒng)統(tǒng)低于20 K。如此低的溫度，意味著必須要靠液氦來(lái)維持低溫，但氦是稀有氣體，液氦又很難制得，因此超導(dǎo)應(yīng)用的成本是非常高昂的。另外一個(gè)重要的問(wèn)題就是，對(duì)超導(dǎo)微觀本質(zhì)的理解一致處于非常艱難的階段。許多聰明絕頂?shù)目茖W(xué)家，如愛(ài)因斯坦、費(fèi)曼、海森堡等人，都曾嘗試過(guò)建立超導(dǎo)的微觀理論，但，都失敗了?？梢哉f(shuō)，超導(dǎo)的理論問(wèn)題，搭進(jìn)去一大群諾獎(jiǎng)得主，無(wú)果。

事情的轉(zhuǎn)機(jī)在20世紀(jì)50年代，量子力學(xué)已經(jīng)發(fā)展成熟，基于量子力學(xué)框架的固體物理理論也發(fā)展起來(lái)了，人們逐漸對(duì)固體材料中的微觀導(dǎo)電機(jī)制有了深刻的理解。在完成對(duì)半導(dǎo)體晶體管的研究之后，巴丁敏銳意識(shí)到超導(dǎo)將是下一個(gè)突破的機(jī)會(huì)。于是他拉上博士后庫(kù)伯和研究生施里弗，組建了一個(gè)老中青結(jié)合的“三人團(tuán)”，在數(shù)月之后的集中努力下，終于在1956年取得了突破。庫(kù)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(gòu)成電子對(duì)穩(wěn)定存在的；施里弗繼而找到一個(gè)合適描述電子對(duì)的波函數(shù)，并給出了超導(dǎo)電子的運(yùn)動(dòng)方程；巴丁則從領(lǐng)導(dǎo)者的角度，指出電子之間是通過(guò)交換原子振動(dòng)量子發(fā)生弱吸引相互作用，并引領(lǐng)庫(kù)伯和施里弗從理論上證明了零電阻效應(yīng)和完全抗磁性的存在，這個(gè)理論也因此以他們?nèi)嗣置麨锽CS理論。超導(dǎo)微觀理論的完成，完美解釋了常規(guī)金屬超導(dǎo)特性，其中電子如何產(chǎn)生吸引相互作用的思想，影響深遠(yuǎn)。[5]

巴丁、布拉頓、肖克利在貝爾公司

這里有幾個(gè)有意思的故事，巴丁找施里弗做這個(gè)方向研究時(shí)候，問(wèn)過(guò)他是研究生幾年級(jí)，他答道是新入學(xué)不久的，然后巴丁就說(shuō)：“那行，就先做做超導(dǎo)這個(gè)難題，耽誤你幾年時(shí)間也沒(méi)事，還可以找別的課題再想辦法畢業(yè)?！笔├锔ピ趯ふ页瑢?dǎo)波函數(shù)歷程中也是極其痛苦的，但他是個(gè)興趣廣泛的人，包括經(jīng)?？珙I(lǐng)域聽(tīng)粒子物理學(xué)的相關(guān)演講報(bào)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(gè)公式的啟發(fā)，寫下來(lái)一個(gè)看似違反常規(guī)的超導(dǎo)波函數(shù)，后來(lái)證明是對(duì)的，當(dāng)時(shí)他只有24歲。而巴丁本人，更是物理學(xué)界的傳奇，他是歷史上唯一一位獲得兩次諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的科學(xué)家。他的第一次諾獎(jiǎng)，就發(fā)生在他剛剛組建“超導(dǎo)夢(mèng)之隊(duì)”之初的1956年，因他和貝爾實(shí)驗(yàn)室的肖克利、布拉頓等三人一起發(fā)明了半導(dǎo)體晶體管，成為現(xiàn)代半導(dǎo)體和計(jì)算機(jī)技術(shù)的基石。在第一個(gè)諾獎(jiǎng)的時(shí)候，頒獎(jiǎng)人問(wèn)巴丁是否帶家屬過(guò)來(lái)，他說(shuō)帶了兩個(gè)兒子，但是讓他們?cè)诼灭^呆著了，沒(méi)想到可以來(lái)諾獎(jiǎng)現(xiàn)場(chǎng)，頒獎(jiǎng)人于是半開(kāi)玩笑說(shuō)：“那下次吧！”結(jié)果還真有下次，而且1972年這次巴丁果斷帶了兒子們?nèi)ソ邮苤Z獎(jiǎng)風(fēng)范熏陶，他們?cè)诤髞?lái)也成為了著名的科學(xué)家[7]。巴丁曾于1975年和1980年來(lái)中國(guó)訪問(wèn)兩次，在中科院物理所作報(bào)告的時(shí)候，他道出了成功的秘訣：努力、機(jī)遇、合作。也是在這里，在這個(gè)時(shí)間段，我們組建了中國(guó)超導(dǎo)研究的第一支排頭兵，并在后續(xù)的超導(dǎo)研究中取得了多項(xiàng)世界前沿的成果，這些科學(xué)先驅(qū)者如今已開(kāi)枝散葉培養(yǎng)了一批世界超導(dǎo)研究的主力軍。

圖表 5 巴丁的諾獎(jiǎng)證書(shū)和兩枚獎(jiǎng)?wù)?/p>

緊接著，在1973年，超導(dǎo)再度摘得物理諾獎(jiǎng)，這次是因?yàn)槌瑢?dǎo)的應(yīng)用研究。布萊恩.約瑟夫森因在超導(dǎo)隧道效應(yīng)的理論預(yù)言 (后被稱為“約瑟夫森效應(yīng)”) ，伊瓦爾.賈埃沃因?yàn)閷?shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)隧道結(jié)，和另一位江琦鈴于奈因半導(dǎo)體隧道結(jié)等三人分享了當(dāng)年物理諾獎(jiǎng)。約瑟夫森獲諾獎(jiǎng)時(shí)，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(jiǎng)年齡，而他做出相關(guān)研究工作的年齡，也不過(guò)22歲，還是研究生二年級(jí)階段。在約瑟夫森剛讀研究生的時(shí)候，他的導(dǎo)師是當(dāng)時(shí)的超導(dǎo)大牛之一皮帕德，導(dǎo)師要約瑟夫森自己找研究課題。偶然一次聆聽(tīng)當(dāng)時(shí)的另一個(gè)大牛物理學(xué)家——菲利普.安德森 (1977年物理諾獎(jiǎng)) 的演講，約瑟夫森覺(jué)得可能實(shí)現(xiàn)兩個(gè)超導(dǎo)體之間的量子隧道效應(yīng)現(xiàn)象。他嘗試用簡(jiǎn)單的變分法做了計(jì)算，并把初步的結(jié)果給導(dǎo)師看，結(jié)果招來(lái)一頓猛批。約瑟夫森不服，又去將計(jì)算結(jié)果發(fā)給理論大咖巴丁 (時(shí)已因BCS理論成名)，又是招來(lái)一頓猛批，巴丁說(shuō)他壓根不相信這么奇怪的結(jié)果。幸好，安德森表示了對(duì)年輕的約瑟夫森的支持，并鼓勵(lì)他撰寫論文發(fā)表出來(lái)，他總算是勉強(qiáng)畢了業(yè)。由于巴丁和導(dǎo)師的反對(duì)，約瑟夫森畢業(yè)后一度對(duì)科研有點(diǎn)心灰意冷。幸好安德森注意到，賈埃沃實(shí)際上在2年前就觀察到了超導(dǎo)體之間的隧道電流，并讓同事重復(fù)類似實(shí)驗(yàn)，成功觀察到了約瑟夫森理論預(yù)言的結(jié)果[6]。人們才紛紛相信超導(dǎo)體之間可以存在量子集體隧道效應(yīng)，并且隧道電流對(duì)磁場(chǎng)極度敏感。巴丁也在實(shí)驗(yàn)結(jié)果出來(lái)之后對(duì)約瑟夫森態(tài)度來(lái)了個(gè)180°轉(zhuǎn)彎，進(jìn)而努力支持他的科研事業(yè)，或許導(dǎo)致了他成功得諾獎(jiǎng)。令人遺憾的是，業(yè)界的承認(rèn)也許對(duì)約瑟夫森來(lái)的晚了一些，他的研究興趣很快從物理轉(zhuǎn)移到了生物。特別是在晚年，約瑟夫森在一些超自然現(xiàn)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(guó)某名牌大學(xué)做過(guò)相關(guān)主題的講演，于是他逐漸淡出了正統(tǒng)科學(xué)界視野。約瑟夫森效應(yīng)是超導(dǎo)電子學(xué)應(yīng)用的基礎(chǔ)，超導(dǎo)量子干涉儀、超導(dǎo)量子比特、超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)等都依賴于此效應(yīng)。除了超導(dǎo)的強(qiáng)電應(yīng)用之外，這開(kāi)啟了超導(dǎo)應(yīng)用的另一半天地——弱電應(yīng)用。特別是超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展，這些年非常迅猛。

柏諾茲展示La-Ba-Cu-O高溫超導(dǎo)體結(jié)構(gòu)

超導(dǎo)的下一次諾獎(jiǎng)在1987年，再度頒給了超導(dǎo)材料研究——高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)，由兩位來(lái)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?yàn)樵诋?dāng)時(shí)的大型公司，都設(shè)有基礎(chǔ)科研部門，和如今的國(guó)家實(shí)驗(yàn)室沒(méi)有什么區(qū)別，貝爾實(shí)驗(yàn)室就培育了一群如巴丁這樣著名的科學(xué)家。柏諾茲是繆勒的博士，畢業(yè)后留在公司繼續(xù)和導(dǎo)師做研究，目的就是從氧化物陶瓷材料中尋找超導(dǎo)電性。他們的探索并不受大家支持，因?yàn)槌＠砩?，氧化物陶瓷材料幾乎都是絕緣體， 別說(shuō)超導(dǎo)，連導(dǎo)電都困難。然而他們并沒(méi)有因此放棄，“我們從未想過(guò)會(huì)獲得成功，我們只能一直保持低調(diào)，不停地加班又加班，借同事的設(shè)備來(lái)完成實(shí)驗(yàn)，”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(guó)科學(xué)家提到一類稀土銅氧化物L(fēng)a-Ba-Cu-O體系具有金屬導(dǎo)電性，隨后他們很快合成了材料，并把電阻測(cè)量到了低溫，發(fā)現(xiàn)在35 K以下電阻降為零。因?yàn)槿齻€(gè)樣品里只有一個(gè)樣品具有零電阻效應(yīng)，他們?cè)诎l(fā)表論文時(shí)也慎重用了“可能的高溫超導(dǎo)電性”的說(shuō)法。在來(lái)年繼續(xù)完成抗磁性實(shí)驗(yàn)測(cè)試后，才確定是超導(dǎo)。35 K的臨界溫度看似不高，但是在當(dāng)時(shí)已經(jīng)突破了超導(dǎo)材

“高溫”了，故而稱之為“高溫超導(dǎo)體”。柏諾茲和繆勒的論文從1986年6月發(fā)表，到1987年10月獲得物理諾獎(jiǎng)，間隔16個(gè)月，幾乎創(chuàng)下諾獎(jiǎng)工作最快得獎(jiǎng)記錄。比他們還快的，是兩個(gè)中國(guó)人——楊振寧和李政道 (獲獎(jiǎng)當(dāng)時(shí)持的還是中華民國(guó)護(hù)照)，于1957年因弱相互作用宇稱不守恒的理論工作獲諾獎(jiǎng)[7]。

為什么柏諾茲和繆勒能夠如此之快獲得諾獎(jiǎng)，還得歸功于中國(guó)/華人科學(xué)家的貢獻(xiàn)。在得知柏諾茲和繆勒工作之后，中國(guó)科學(xué)院物理研究所的趙忠賢團(tuán)隊(duì)和美國(guó)休斯頓大學(xué)朱經(jīng)武及阿拉巴馬大學(xué)的吳茂昆團(tuán)隊(duì)對(duì)此非常興奮，因?yàn)閯倓傉业降摹案邷爻瑢?dǎo)”材料特性和他們探索高臨界溫度超導(dǎo)體的思路非常契合。僅僅過(guò)去數(shù)月時(shí)間，這兩支來(lái)自中國(guó)和美國(guó)的超導(dǎo)探索隊(duì)伍不僅完全獨(dú)立重復(fù)了柏諾茲和繆勒的工作，而且還發(fā)現(xiàn)了更高超導(dǎo)溫度的跡象，最終在1987年2月各自獨(dú)立成功在Y-Ba-Cu-O體系實(shí)現(xiàn)了93 K的超導(dǎo)電性，為此誘發(fā)一輪刷超導(dǎo)臨界溫度的科技競(jìng)賽。從35 K 到 90 K，這個(gè)驚人的跨越說(shuō)明銅氧化物超導(dǎo)材料的優(yōu)越性，意味著它完全可以進(jìn)入77 K以上的液氮溫區(qū)，替換掉極其昂貴的液氦來(lái)維持低溫環(huán)境，大規(guī)模應(yīng)用成為可能。

另一方面，按照BCS理論預(yù)言，金屬或金屬合金的超導(dǎo)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(dǎo)，顯然突破了該理論極限，也說(shuō)明BCS理論本身就存在局限性。一般來(lái)說(shuō)，人們認(rèn)為能夠突破40 K以上臨界溫度的超導(dǎo)體就稱之為“高溫超導(dǎo)體” (注: 也有說(shuō)法是20 K)，而不能被BCS理論所描述的超導(dǎo)體稱之為“非常規(guī)超導(dǎo)體”。銅氧化物屬于兩者都是的情形，也有一些超導(dǎo)體臨界溫度雖不高，但同屬于非常規(guī)超導(dǎo)體。

高溫超導(dǎo)發(fā)現(xiàn)在當(dāng)時(shí)是極其轟動(dòng)的，1987年3月的美國(guó)物理學(xué)會(huì)三月會(huì)議，特地專門設(shè)立“高臨界溫度超導(dǎo)體討論會(huì)”。來(lái)自世界各地的3000多名物理學(xué)家擠滿了1100人容量的報(bào)告廳，狂熱的會(huì)議討論一直持續(xù)了7個(gè)小時(shí)，直到凌晨2點(diǎn)才結(jié)束。那一次會(huì)議被稱為“物理學(xué)界的搖滾音樂(lè)節(jié)”，是超導(dǎo)研究史上劃時(shí)代的重要里程碑。雖然人們紛紛揣測(cè)為何沒(méi)有中國(guó)/華人科學(xué)家共享1987年的物理諾獎(jiǎng)，但最直接的原因是他們的成果公布時(shí)間都在1987年1月31日的諾獎(jiǎng)提名截止日期之后。令人值得敬佩的是，在當(dāng)時(shí)物資條件和實(shí)驗(yàn)條件都極其匱乏的情況下，中國(guó)科學(xué)家能夠獨(dú)立作出如此重要的世界前沿科學(xué)貢獻(xiàn)，實(shí)在不易。[8]

圖表 7 趙忠賢帶領(lǐng)的中國(guó)高溫超導(dǎo)探索團(tuán)隊(duì)

超導(dǎo)的最近一次獲諾獎(jiǎng)，是在2003年由阿列克謝.阿布里科索夫、維塔利.金茲堡獲得，獎(jiǎng)勵(lì)他們?cè)诔瑢?dǎo)方面的先驅(qū)性理論工作，同年獲獎(jiǎng)的還有超流理論方面的安東尼·萊格特。這是超導(dǎo)理論研究的第二次獲得諾獎(jiǎng)，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(xué)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(gè)著名的蘇聯(lián)理論物理學(xué)家——列夫.朗道，他是蘇聯(lián)物理界的奠基人物，對(duì)凝聚態(tài)物理理論做出了最杰出的貢獻(xiàn)，和他比肩的唯有費(fèi)米，他們倆共同構(gòu)建了凝聚態(tài)物理的基石——朗道-費(fèi)米液體理論。正是朗道發(fā)明了基于相變和臨界現(xiàn)象的“朗道相變理論”，不僅可以描述超導(dǎo)現(xiàn)象，也能描述超流現(xiàn)象等一系列凝聚態(tài)物理中的相變行為。但是朗道的理論是構(gòu)造了一個(gè)想象中的“序參量”為前提，而不理會(huì)材料中的具體物理微觀機(jī)制，所以稱之為“唯象理論”。金茲堡正是和朗道一同針對(duì)超導(dǎo)現(xiàn)象發(fā)展出來(lái)了超導(dǎo)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(shuō)明問(wèn)題，阿布里科索夫發(fā)揮了他的數(shù)學(xué)天分，從數(shù)學(xué)上給出了這個(gè)理論方程的解析解，并將超導(dǎo)體劃分成兩大類。第一類超導(dǎo)體只有一個(gè)臨界磁場(chǎng)，之上為有電阻的正常態(tài)，之下為零電阻的超導(dǎo)態(tài)。第二類超導(dǎo)體具有兩個(gè)臨界磁場(chǎng)，上臨界場(chǎng)之上為有電阻、不抗磁的正常態(tài)，下臨界場(chǎng)之下為零電阻、完全抗磁的超導(dǎo)態(tài)，中間則是具有零電阻但不具有完全抗磁性的混合態(tài)。阿布里科索夫特別指出，在第二類超導(dǎo)體的混合態(tài)中，磁場(chǎng)可以量子化磁通渦旋的方式進(jìn)入超導(dǎo)體，每個(gè)磁通渦旋對(duì)應(yīng)的磁通量就是一個(gè)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(gè)理論預(yù)言隨后在實(shí)驗(yàn)上被直接觀測(cè)到，證明了超導(dǎo)現(xiàn)象是屬于一種量子效應(yīng)。超導(dǎo)磁通量子的存在，意味著超導(dǎo)體在很多時(shí)候電磁特性是非常復(fù)雜多變的，這既給超導(dǎo)的強(qiáng)電應(yīng)用帶來(lái)了許多困難，也給超導(dǎo)的弱電應(yīng)用帶來(lái)了許多機(jī)遇[9]。因?yàn)槌瑢?dǎo)應(yīng)用方面長(zhǎng)久以來(lái)的困難性，阿布里科索夫的工作也一直未能得到諾獎(jiǎng)委員會(huì)的重視。而1962年朗道則早早因液氦等其他凝聚態(tài)理論獲得諾獎(jiǎng)，也可能是委員會(huì)擔(dān)心遭遇車禍的這位天才怕挺不了多少年，趕緊發(fā)獎(jiǎng)了卻遺憾。2003年諾獎(jiǎng)時(shí)，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(shí)，欲得諾獎(jiǎng)，健康長(zhǎng)壽也是重要的前提之一。

圖表 8 阿布里科索夫的諾獎(jiǎng)證書(shū)

以上和超導(dǎo)直接相關(guān)的10位諾獎(jiǎng)得主也屬于不完全統(tǒng)計(jì)。實(shí)際上超導(dǎo)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(dǎo)BCS理論中的電子配對(duì)思想以及對(duì)稱性破缺的概念，被廣泛應(yīng)用于超流和粒子物理領(lǐng)域，如湯川相互作用、希格斯機(jī)制等都與之相關(guān)。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(dǎo)相關(guān)。湯川秀樹(shù)、南部陽(yáng)一郎和希格斯等人也相繼獲得了物理諾獎(jiǎng)。2016年，物理學(xué)諾獎(jiǎng)?lì)C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(xué)家，以表彰他們?cè)诶碚撋习l(fā)現(xiàn)了拓?fù)湎嘧兒屯負(fù)湮镔|(zhì)。其中科斯特利茨和索利斯正是在研究超流和超導(dǎo)現(xiàn)象的時(shí)提出了相變的理論模型，稱之為“KT相變”[1]。近年來(lái)，對(duì)材料拓?fù)湫再|(zhì)的研究，開(kāi)啟了凝聚態(tài)物理新的大門，物理學(xué)為此也正在醞釀一場(chǎng)變革。

圖表 9 2016年三位物理諾獎(jiǎng)得主

最后，在超導(dǎo)研究方面必定會(huì)獲得諾獎(jiǎng)的將是高溫超導(dǎo)的微觀理論或非常規(guī)超導(dǎo)體的微觀理論。正如前文所述，銅氧化物高溫超導(dǎo)體和鐵基高溫超導(dǎo)體已經(jīng)無(wú)法用傳統(tǒng)的BCS理論描述，其中遇到的困難甚至是突破朗道-費(fèi)米液體理論的。也就是說(shuō)，一旦高溫超導(dǎo)微觀理論取得實(shí)質(zhì)性的突破，那么傳統(tǒng)凝聚態(tài)物理研究的基石可能將要重建，對(duì)整個(gè)物理學(xué)的影響都是前所未有的。[10]

參考文獻(xiàn)

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

[2] 施郁, 今天諾貝爾物理獎(jiǎng)會(huì)給誰(shuí)？先看看過(guò)去的贏家都是誰(shuí), 科學(xué)網(wǎng)博客, 2017/10/3.

[3] 羅會(huì)仟, 周興江, 神奇的超導(dǎo), 現(xiàn)代物理知識(shí), 24(02), pp 30-39, 2012/2.

[4] 羅會(huì)仟, 超導(dǎo)“小時(shí)代”之八: 暢行無(wú)阻, 物理, 45(04), pp 269-273, 2016/4/12.

[5] 羅會(huì)仟, 超導(dǎo)“小時(shí)代”之十三: 雙結(jié)生翅成超導(dǎo), 物理, 45(11), pp 734-739, 2016/11/12.

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

[7] 施郁, 引力波得諾獎(jiǎng)極快，但是沒(méi)有快過(guò)兩個(gè)中國(guó)人, 科學(xué)網(wǎng)博客, 2017/10/5.

[8] 劉兵, 對(duì)1986-1987年間高溫超導(dǎo)體發(fā)現(xiàn)的歷史再考察,《二十一世紀(jì)》1995.4.

[9] 于淥，郝柏林，陳曉松. 邊緣奇跡：相變和臨界現(xiàn)象, 北京：科學(xué)出版社, 2005.

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

本文經(jīng)作者授權(quán)摘編自《超導(dǎo)與諾貝爾獎(jiǎng)》（自然雜志，第39卷第6期）。

特 別 提 示

1. 進(jìn)入『返樸』微信公眾號(hào)底部菜單“精品專欄“，可查閱不同主題系列科普文章。

2. 『返樸』提供按月檢索文章功能。關(guān)注公眾號(hào)，回復(fù)四位數(shù)組成的年份+月份，如“1903”，可獲取2019年3月的文章索引，以此類推。

版權(quán)說(shuō)明：歡迎個(gè)人轉(zhuǎn)發(fā)，任何形式的媒體或機(jī)構(gòu)未經(jīng)授權(quán)，不得轉(zhuǎn)載和摘編。轉(zhuǎn)載授權(quán)請(qǐng)?jiān)凇阜禈恪刮⑿殴娞?hào)內(nèi)聯(lián)系后臺(tái)。