中国新超导技术走在世界最前沿
——访中国科技大学教授陈仙辉
超导技术具有广阔的发展前景，目前在很多领域都有应用，比如通信技术、磁悬浮技术以及医院里的核磁共振等。据估计，超导技术的应用全球市场达到几百亿美元。2009年3月25日和26日，中国科学技术大学陈仙辉教授和物理所王楠林教授分别独立发现超过40K的超导体。这一成果将中国新超导技术推到世界最前沿。近日，本刊记者采访了陈仙辉教授，陈教授向记者讲述了这一重大发现的过程和他的科研感受。
经典超导理论受到挑战
据陈仙辉介绍，传统上，描述超导体的标准理论是BCS理论。根据这个理论，存在所谓的“麦克米兰极限”，即超导最高的转变温度为39K。
BCS理论是解释常规超导体的超导电性的微观理论。该理论以其发明者—3位美国科学家J.Bardeen、L.V.Cooper和J.R.Schrieffer的名字命名。超导现象于1911年发现，但直到1957年，J.Bardeen、L.V.Cooper和J.R.Schrieffer才提出BCS理论，其微观机理才得到一个令人满意的解释。这一理论把超导现象看作一种宏观量子效应。它提出，金属中自旋和动量相反的电子可以配对形成所谓的“Cooper对”，“Cooper对”在晶格当中可以无损耗地运动，形成超导电流。
电子间的直接相互作用是相互排斥的库仑力。如果仅仅存在库仑直接作用的话，电子不能形成配对。但电子间还存在以晶格振动（声子）为媒介的间接相互作用。电子间的这种相互作用是相互吸引的，正是这种吸引作用导致了“Cooper对”的产生。其机理是：电子在晶格中移动时会吸引邻近格点上的正电荷，导致格点的局部畸变，形成一个局域的高正电荷区。这个局域的高正电荷区会吸引自旋相反的电子，和原来的电子以一定的结合能相结合配对。在很低的温度下，这个结合可能高于晶格原子振动的能量。这样，电子对将不会和晶格发生能量交换，也就没有电阻，形成所谓“超导”。
J.Bardeen、L.V.Cooper和J.R.Schrieffer因提出超导电性的BCS理论而获得1972年的诺贝尔物理学奖。然而，有关研究表明，陈仙辉等制备出的用Sm替代La后发现，SmO1-xFxFeAs体系表现的高温超导电性明显不符合BCS理论。不管他们是如何实现的，以实现室温超导体为终极目标的竞赛正在进行中。
突破“麦克米兰极限”
在超导体被发现后的80年间，超导现象出现的最高温度一直在20K左右。高温铜氧化合物的最高超导温度达到了135K，一度给人们带来了巨大的惊喜。但是经过20多年的深入研究，其机理仍未解决。随后，除铜氧化合物外的第二类高温超导体被发现，这就是新的层状铁基磷族化合物。这对高温超导电性机理的理解非常有意义。在这个新的系列化合物超导体中，日本科学家通过氟对氧的部分取代，发现了La[O1-xFx]FeAs超导体，其超导转变温度为26K，这个温度低于“麦克米兰极限”(39K)，因此，并不能说明这类超导体为高温超导体。陈仙辉认为，如这类材料的超导转变温度不能超过40K的话，就不会有很大的意义。
陈仙辉率领科研团队积极开展工作。幸运的是，陈仙辉小组发现的Sm化合物的超导体SmFeAsO1-xFx(x=0.15)，其转变温度在常压下可以达到43K，证明了这类超导体是除铜氧化合物高温超导体外的又一高温超导体家族。这类超导体是由铁砷层和钐氧层交替堆砌而成，并且当20%的氧离子被氟离子取代后，超导转变温度达到50多开尔文。在Fe2As2层中，铁离子被砷离子形成的四面体包围，且被认为是电流无阻流过的通道。这就真正突破了“麦克米兰极限”。
陈仙辉小组用Sm替代La后，发现SmO1-xFxFeAs的超导临界温度比日本实验组所报道的材料高了将近20K。他认为，小的离子半径会导致FeAs中的化学压力，这将会进一步提高超导临界温度。在未来更加深入的研究中，很有可能发现更新的超导体。
激烈竞争 把握先机
今年3月24日，实验室学生在电阻测量中观察到了40K超导转变现象。陈仙辉立刻意识到，这是一个重要进展。他与学生们一起实验，利用学校的一切资源证明观察到的现象是可重复的。在确定超导转变温度高于40K后，他们开始分析数据、写作论文。
陈仙辉说，国际上，超导研究表面看来进展缓慢，但竞争十分激烈，几乎每周都有新的论文发表，每天至少有几篇文章贴在网上。大家都十分关注研究进展，因为一旦突破，应用前景将很快显现。
有一次，他们实验室在研究一种材料BaFe2As2（结构为一个晶体单胞两层FeAs面）时，他们的发现实际上比德国科学家早，但为了获得超导电性，一直没有报道。虽然制备材料的思路和方法以及材料的组分都一模一样，但由于在制备过程中，烧结的温度没把握好，没有成功获得超导电性，论文也就没有及时写出来。结果，德国人先发表了论文，他们失去了机会。
陈仙辉说，受合肥地域的限制，也容易丧失机会。他们实验室曾想做一种新材料，所需要的一种元素在合肥无法购买，他们就从上海订购，但这种元素没有及时到货，耽误了两周时间，论文再次推后写作。而当实验室做完实验，其他国家已经发表了文章，又失去了一次机会。
这次，陈仙辉和他的团队把握住了先机。
陈仙辉说：“我们的研究工作显然得到了国际同行的广泛关注，表明中国人有能力参与这样的国际竞争。这并不是说其他国家的科学家没有意识到这个机会，只是中国科学家做出了最快反应。”
许多科学家评论，中国如洪流般不断涌现的研究结果标志着在凝聚态物理领域，中国已经成为一个强国。4月25日出版的美国《科学》杂志对我国的超导研究发表了毫不吝啬的赞美，这其中当然少不了陈仙辉的工作。
为了尽快做出研究结果，从2月19日到3月25日，陈仙辉的研究小组一直处于满负荷的工作状态。陈仙辉说，平时弄到11点的话，这段时间可能到12点。他认为，主要靠的是长年工作和实验的积累，如果没有大量的积累，就不可能敏锐地捕捉到有效的信息，也不可能这么快就有成果。
对陈仙辉来说，没有上下班之分，没有工作日和周末之分，每天满负荷的工作早已成为“常态”。如果学生做实验有什么发现，即使是深夜，他也会兴奋地跑到实验室来。
总有惊喜在等着我
谈起自己的研究经历，陈仙辉说：“作为超导的研究者，我觉得自己很幸运，因为我赶上了上世纪80年代和最近超导领域的两次高潮。”1986年，高温超导体的研究取得了重大的突破。掀起了以研究金属氧化物陶瓷材料为对象、以寻找高临界温度超导体为目标的“超导热”。全世界有260多个实验小组参加了这场竞赛。“当时我还是研究生，既在化学系做材料方面的实验，又师从吴杭生院士学习物理的超导理论，两方面的背景使我自然而然地选择了研究高温超导的方向。”
陈仙辉说：“在超导领域搞研究，我可以自由支配时间，做任意想做的事，不断地迎接意想不到的结果。因为到现在，高温超导的机理依然不是很清楚，而其中蕴含了很多新的物理现象。这些现象是BCS理论（解释常规超导体的超导电性的微观理论）无法解释的，这就需要新的理论来支撑。我觉得总有惊喜在等我。”
激情 积累 坚持 自信
在谈到一个科学家需要具备的特质时，陈仙辉列出了4个关键词：激情、积累、坚持、自信。
他说：“我的导师吴杭生院士对我的影响非常大，吴老师脚踏实地、低调做人的处世方式，实事求是、精益求精的科研态度，始终是我的榜样。当年我做博士论文的时候，吴老师腿脚不太好，就请师母带信给我约时间讨论修改，而每次修改，都认真到逐字逐句的地步。”
陈仙辉的一个学生说：“我从陈老师身上学到的最可贵的东西就是坚持。基础研究是非常枯燥的，在我们懈怠的时候，却看到陈老师还在忙碌，于是我们的热情又再一次被激发起来。”
陈仙辉说：“我明显地感觉到，现在国力增强了，我们的工作得到了很多部委有力的支持，实验条件也有了很大的改善，越来越多在国外做研究的同行选择了回国，我们这个圈子的研讨氛围非常好。我自己也想把握好这个契机，做出温度更高的超导材料，在能源日益缺乏的今天，为节能做些事。”