高温超导材料的发现

材料的超级导电性能，又称“超导”，这一物理学中最奇妙的现象早在1911年就已经被认知。用通俗的语言说，当某些材料被冷却至某个临界温度以下时，电阻就会突然地消失。与此同时，还会发生被称为“Meissner效应”的神奇现象，也就是超导体会对外加的磁场产生完全屏蔽的作用，磁场也就无法穿过材料内部。

这样的超导材料听起来无比得酷炫，不仅仅可以大大提高电流的传输效率，而且利用对磁场的排斥作用，甚至可以让我们居住的房屋漂浮在空中。脑补一下这个画面，就如同《阿凡达》电影中的哈利路亚悬浮山。到时候这样科幻世界中的场景若果真实现了，就再也不用愁去何处躲雾霾了。我自云端练瑜伽，任凭风吹和雨打，这样的画面美得不敢想象......然而，之所以我们至今尚未实现这一梦想，是因为材料产生超导性很大程度上受到了材料本身的化学组成和温度的局限。自1911年发现汞的超导性很多年以来，人们所发现的大部分超导材料只能在低温液氦区，即4 K左右的极低温下，才产生超导性。这就要求许多的低温设备和相应技术的支持，由于费用高昂且极不便利而限制了超导体的实际应用。在上世纪70年代左右，人们开始探索临界温度更高的，也被称之为“高温超导”的材料。

到了80年代初期，位于瑞士苏黎世的IBM公司的物理学家卡尔·米勒（K. A. Müller）和约翰内斯·柏诺兹（J. G.Bednorz）合作在氧化物中寻找超导体。最终两人在1986年1月16日，也就是31年前的今天，成功合成钙钛矿结构的LaBaCuO的超导材料，其临界温度高达35 K。这一具有里程碑式非凡意义的结果是高温超导研究所取得的突破性进展，并且随后掀起了全球范围内研究这一类氧化物材料的新高潮。仅在一年之后的1987年，这两位科学家就被授予诺贝尔物理学奖，以表彰他们卓越的贡献和对其他科学工作者在高温超导领域研究带来的重要启迪。

约翰内斯·柏诺兹是因此获得获得殊荣的两位科学家的其中之一，也是主导了整个科研实验直到最后获得重要发现的那一位。柏诺兹的母亲是一位钢琴老师，父亲是小学老师，他们在二战的漩涡中被迫从波兰转移到了德国，并且养育了四个孩子。1950年5月16日，柏诺兹出生在德国西部一个叫做诺因基兴的小城，成为了家中最年幼的一个。俗话说“子承父业”，柏诺兹的父母从小极力培养他学习古典音乐，但他却从不对钢琴感兴趣，而更喜欢和他的哥哥们一起修理摩托车和汽车，从小便展现出他的动手实践能力。柏诺兹进入中学后开始对自然科学异常青睐，并且对化学产生了浓厚兴趣，从化学实验中也学到了不少操作的技能。

1968年，柏诺兹顺利地进入了明斯特大学主修化学。然而，他却对学校里大课授课的方式不太适应，因而转修了人数较少的晶体学，这门在矿物学中既涉及化学又涉及物理学的交叉学科。1972年，在导师的安排之下柏诺兹成为了IBM公司的苏黎世研究实验室进行了为期3个月的暑期交流生。正是这一次前往IBM的经历改变了他之后的人生，因为在那里他不仅仅碰到了之后与他一起合作的作为物理部门负责人的卡尔·米勒，跟随着他学习了晶体生长的工艺和材料表征的方法，同时也被实验室中自由与创新的氛围深深感染。

在1974年，柏诺兹再次来到了苏黎世的IBM实验室开始了为期6个月的硕士毕业实验。在米勒的鼓励之下，他开展了关于钙钛矿结构氧化物以及SrTiO3晶体生长的课题研究，并且柏诺兹继续将此项研究延伸为之后在苏黎世联邦理工的博士课题。

1982年，获得博士学位的柏诺兹正式加入IBM公司，并且参与到目前米勒正在开展的关于材料超导性的研究之中。1983年，柏诺兹在米勒的提议下对一系列过渡金属氧化物的陶瓷材料的电学性质进行系统研究。虽然陶瓷材料一般被认为导电性很差，但正是这一另辟蹊径的做法，之后给他们带来了巨大的收获！米勒和柏诺兹最初的设想，是在那些具有可导致所谓Jahn-Teller晶格畸变效应的氧化物中寻找。在两年多的时间里，柏诺兹夜以继日开展了对La-Ni-O体系的研究，但是并没有成功。之后他又把注意力转向了含铜的氧化物。在无数次失败尝试之后的1986年1月16日，柏诺兹在一次常规实验中对La-Cu-O氧化体系进行了Ba的掺杂，终于发现了La-Ba-Cu-O体系中超导性的迹象，并且临界温度高达35 K，超越了Nb3Ge所创造的23 K的记录整整12 K! 这一结果简直令人难以置信，为了保险起见，经验丰富的米勒还是建议柏诺兹继续重复实验，直到确认得到数据的正确性后，在4月中旬，柏诺兹与米勒将这一令人振奋的研究结果提交给了德国物理学期刊Zeitschrift für Physik B，并在一个月后发表了。次年他们又被共同授予了诺贝尔物理学奖。通常需要经过漫长的审核流程与评选时间的诺贝尔奖，此次的颁发速度之快令人惊讶，也成为了史上获奖与成果发现之间间隔最短的一次，可见这次的发现有多么重大的意义！果不其然，在这之后几年内，世界各地科学家们又相继在这一类氧化物中发现了多种液氮高温区的超导材料，例如钇系铜氧化物YBa2Cu3O7-x (YBCO)和铋系铜氧化物Bi2Sr2Can-1CunO2n+4+x (BSCCO)等材料，一下子把临界温度提高到了150 K左右！

31年前的今天，当柏诺兹和米勒兴奋地观测到高温超导现象时，他们也许尚未想到这一发现对整个凝聚态物理学界和将来人类对物质认识所带来的革命性改变。我们也完全有理由相信，作为未来材料的超导材料必定会给世界带来翻天覆地的变化，有朝一日室温超导也最终会实现，我们距离梦想的距离从未遥远！