论文发表16个月即得诺奖，这一领域究竟有何魅力？

超导作为凝聚态物理前沿领域之一，百余年来长盛不衰，截至2025年相关研究促成了至少5次诺贝尔物理学奖，获奖人数至少10人。他们因何获得诺奖？都有哪些重要发现？

撰文| 罗会仟（中国科学院物理研究所）

图表 1 因超导获诺贝尔物理学奖的十位科学家

每年的十月初，科学界都要热闹一波，因为这是诺贝尔奖的宣布时间。虽然诺奖并不代表最高学术研究水平，但却已经被潜移默化成为了科学界的最高荣誉。自从1901年第一届诺贝尔物理学奖颁发给伦琴以来，百余年里已有200多位科学家荣获诺贝尔物理学奖[1]。在物理诺奖的历史上，天体物理、粒子物理、原子分子与光物理、凝聚态物理等四大领域风水轮流转，细数下来，凝聚态物理相关的诺奖约有50位左右[2]。在这些科学家中，至少有10位科学家是直接因为超导的相关研究获得物理诺奖。他们分别是：卡末林·昂尼斯 (1913年)，约翰·巴丁、列昂·库伯、约翰·施里弗 (1972年)，伊瓦尔·贾埃沃、布莱恩·约瑟夫森 (1973年)，乔治·柏诺兹、亚历山大·缪勒 (1987)，阿列克谢·阿布里科索夫、维塔利·金兹堡 (2003)[3]。

这些关于超导的故事，或许都可以从诺奖的历史中寻找到痕迹。那些因超导获奖的科学家，每个人都是一部有趣的传奇。

莱顿大学关于昂尼斯获得液氦的纪念碑

1913年，卡末林.昂尼斯因为低温物性的研究以及液氦的成功制备获得诺贝尔物理学奖。其中，低温物性的研究内容，就包括他在1911年发现的第一个超导体——金属汞。发现金属汞超导的关键，就是获得液氦以提供低温环境。根据理想气体状态方程，把各种气体进行加压就能变成液体，对应液化的气体其沸点在常压下很低，例如氮气在常压下的沸点就是 77 K，进一步减压制冷可以达到 40 K左右的低温环境。在其他气体纷纷被征服之后，最后只剩下氢气和氦气两个最轻的气体尚未液化。昂尼斯在荷兰的莱顿大学建设了低温物理实验室，其主要目的就是攻克氢气和氦气的液化。经过好友范德瓦尔斯 (1910年物理诺奖) 的指点，昂尼斯意识到光凭理想气体状态方程是不够的，必须考虑气体分子间相互作用的范德瓦尔斯方程，并很快攻克液氢技术。终于，在1908年7月10日，昂尼斯实现了氦气的液化，获得液氦在常压下的沸点为4.2 K。利用液氦进一步减压制冷，可以达到约1.5K的低温环境，而He-3制冷则可以达到0.1K以下的低温。

昂尼斯的成功，开启了低温物理学的大门。在此之前，人们对金属在低温下的导电性并不了解，因为当时实验条件根本达不到接近绝对零度的低温。人们纷纷猜测，金属电阻率可能在低温下会出现迅速增大到发散的现象，或者降低到一定程度就停留在因杂质和缺陷导致的剩余电阻率值上。昂尼斯则一直认为，如果测量纯度极高的金属材料，就有可能在趋于绝对零度时候，电阻率持续不断减小到零。有了液氦这个低温武器，昂尼斯很快就测量了各种金属的低温电阻率，然而室温下导电性最好的铂、金等到了低温都是具有一个有限的剩余电阻率。

终于在1911年，昂尼斯让实验室助手开始测量金属汞的低温电阻率，主要是因为汞可以蒸馏提纯，纯度可以极高，堪称完美金属。神奇的一天就在4月8日的一个普通周末发生了，实验室助手在测量汞的低温电阻时，发现跨越4.2 K的时候，突然测不到电阻了，即读数要低于仪器的分辨率10-5欧姆。昂尼斯听过这个事情后，立刻让助手们重复了实验，并在他的笔记本上记录了“超级导电”的字样。但是因为在4.2K恰好和液氦沸点重合，令人不禁怀疑测量是否有问题。昂尼斯和同事们又花了数月时间确认这个现象，才慎重在荷兰莱顿大学学报上发表相关结果，并命名为“超导”。

证明超导体电阻率是否为零，其实是一件非常棘手的事情。莱顿大学低温物理实验室的技术员即使在昂尼斯去世后16年，仍然在重复相关的实验，不断提高实验精度。最终，人们证明超导体的电阻率要远远比室温下电阻率最低的常规金属铂还要小十个数量级，如果在超导环里实现一安培的稳恒电流，那么可以持续稳定地保证一千亿年不衰减，比宇宙的年龄都还要长！在这种情况下，人们完全可以认为超导体的电阻率是完美的零，令人不免感叹神奇！[4]

各种代表性超导材料发现的年代及其临界温度

1972年，时隔近60年后，超导才再度获得诺贝尔奖。三位获奖者约翰.巴丁、里奥.库伯、约翰.施里弗的获奖理由是：“因其共同发展的超导理论，通常称为BCS理论”。这是一段耐人寻味的历史，间接原因可能是20-50年代的诺奖主要颁给了量子力学、粒子物理和天体物理，更直接的原因是超导领域在当时并不够火。昂尼斯发现第一个超导体之后，许多金属单质都被陆续证明是超导体，在许多金属合金中也发现了超导，但令人郁闷的是，它们的临界温度都极低，几乎统统低于20 K。如此低的温度，意味着必须要靠液氦来维持低温，但氦是稀有气体，液氦又很难制得，因此超导应用的成本是非常高昂的。另外一个重要的问题就是，对超导微观本质的理解一致处于非常艰难的阶段。许多聪明绝顶的科学家，如爱因斯坦、费曼、海森堡等人，都曾尝试过建立超导的微观理论，但，都失败了。可以说，超导的理论问题，搭进去一大群诺奖得主，无果。

事情的转机在20世纪50年代，量子力学已经发展成熟，基于量子力学框架的固体物理理论也发展起来了，人们逐渐对固体材料中的微观导电机制有了深刻的理解。在完成对半导体晶体管的研究之后，巴丁敏锐意识到超导将是下一个突破的机会。于是他拉上博士后库伯和研究生施里弗，组建了一个老中青结合的“三人团”，在数月之后的集中努力下，终于在1956年取得了突破。库伯首先证明金属中电子若存在一种弱的吸引相互作用的话，是可以构成电子对稳定存在的；施里弗继而找到一个合适描述电子对的波函数，并给出了超导电子的运动方程；巴丁则从领导者的角度，指出电子之间是通过交换原子振动量子发生弱吸引相互作用，并引领库伯和施里弗从理论上证明了零电阻效应和完全抗磁性的存在，这个理论也因此以他们三人名字命名为BCS理论。超导微观理论的完成，完美解释了常规金属超导特性，其中电子如何产生吸引相互作用的思想，影响深远。[5]

巴丁、布拉顿、肖克利在贝尔公司

这里有几个有意思的故事，巴丁找施里弗做这个方向研究时候，问过他是研究生几年级，他答道是新入学不久的，然后巴丁就说：“那行，就先做做超导这个难题，耽误你几年时间也没事，还可以找别的课题再想办法毕业。”施里弗在寻找超导波函数历程中也是极其痛苦的，但他是个兴趣广泛的人，包括经常跨领域听粒子物理学的相关演讲报告。在某一次放假返校的火车上，施里弗终于受到粒子物理中某个公式的启发，写下来一个看似违反常规的超导波函数，后来证明是对的，当时他只有24岁。而巴丁本人，更是物理学界的传奇，他是历史上唯一一位获得两次诺贝尔物理学奖的科学家。他的第一次诺奖，就发生在他刚刚组建“超导梦之队”之初的1956年，因他和贝尔实验室的肖克利、布拉顿等三人一起发明了半导体晶体管，成为现代半导体和计算机技术的基石。在第一个诺奖的时候，颁奖人问巴丁是否带家属过来，他说带了两个儿子，但是让他们在旅馆呆着了，没想到可以来诺奖现场，颁奖人于是半开玩笑说：“那下次吧！”结果还真有下次，而且1972年这次巴丁果断带了儿子们去接受诺奖风范熏陶，他们在后来也成为了著名的科学家[7]。巴丁曾于1975年和1980年来中国访问两次，在中科院物理所作报告的时候，他道出了成功的秘诀：努力、机遇、合作。也是在这里，在这个时间段，我们组建了中国超导研究的第一支排头兵，并在后续的超导研究中取得了多项世界前沿的成果，这些科学先驱者如今已开枝散叶培养了一批世界超导研究的主力军。

图表 5 巴丁的诺奖证书和两枚奖章

紧接着，在1973年，超导再度摘得物理诺奖，这次是因为超导的应用研究。布莱恩.约瑟夫森因在超导隧道效应的理论预言 (后被称为“约瑟夫森效应”) ，伊瓦尔.贾埃沃因为实验上实现超导隧道结，和另一位江琦铃于奈因半导体隧道结等三人分享了当年物理诺奖。约瑟夫森获诺奖时，年龄仅33岁，仅次于劳伦斯.布拉格 (25岁) 和李政道 (31岁) 的获奖年龄，而他做出相关研究工作的年龄，也不过22岁，还是研究生二年级阶段。在约瑟夫森刚读研究生的时候，他的导师是当时的超导大牛之一皮帕德，导师要约瑟夫森自己找研究课题。偶然一次聆听当时的另一个大牛物理学家——菲利普.安德森 (1977年物理诺奖) 的演讲，约瑟夫森觉得可能实现两个超导体之间的量子隧道效应现象。他尝试用简单的变分法做了计算，并把初步的结果给导师看，结果招来一顿猛批。约瑟夫森不服，又去将计算结果发给理论大咖巴丁 (时已因BCS理论成名)，又是招来一顿猛批，巴丁说他压根不相信这么奇怪的结果。幸好，安德森表示了对年轻的约瑟夫森的支持，并鼓励他撰写论文发表出来，他总算是勉强毕了业。由于巴丁和导师的反对，约瑟夫森毕业后一度对科研有点心灰意冷。幸好安德森注意到，贾埃沃实际上在2年前就观察到了超导体之间的隧道电流，并让同事重复类似实验，成功观察到了约瑟夫森理论预言的结果[6]。人们才纷纷相信超导体之间可以存在量子集体隧道效应，并且隧道电流对磁场极度敏感。巴丁也在实验结果出来之后对约瑟夫森态度来了个180°转弯，进而努力支持他的科研事业，或许导致了他成功得诺奖。令人遗憾的是，业界的承认也许对约瑟夫森来的晚了一些，他的研究兴趣很快从物理转移到了生物。特别是在晚年，约瑟夫森在一些超自然现象如人体特异功能等做了大量的“科研”，他本人也为之着迷，甚至曾在中国某名牌大学做过相关主题的讲演，于是他逐渐淡出了正统科学界视野。约瑟夫森效应是超导电子学应用的基础，超导量子干涉仪、超导量子比特、超导量子计算机等都依赖于此效应。除了超导的强电应用之外，这开启了超导应用的另一半天地——弱电应用。特别是超导量子计算机的发展，这些年非常迅猛。

柏诺兹展示La-Ba-Cu-O高温超导体结构

超导的下一次诺奖在1987年，再度颁给了超导材料研究——高温超导体的发现，由两位来自IBM公司的工程师柏诺兹和缪勒获得。大家不必惊讶于他们的工作单位，因为在当时的大型公司，都设有基础科研部门，和如今的国家实验室没有什么区别，贝尔实验室就培育了一群如巴丁这样著名的科学家。柏诺兹是缪勒的博士，毕业后留在公司继续和导师做研究，目的就是从氧化物陶瓷材料中寻找超导电性。他们的探索并不受大家支持，因为常理上，氧化物陶瓷材料几乎都是绝缘体， 别说超导，连导电都困难。然而他们并没有因此放弃，“我们从未想过会获得成功，我们只能一直保持低调，不停地加班又加班，借同事的设备来完成实验，”20年后的柏诺兹曾这么回忆道。终于在1986年，他们注意到法国科学家提到一类稀土铜氧化物La-Ba-Cu-O体系具有金属导电性，随后他们很快合成了材料，并把电阻测量到了低温，发现在35 K以下电阻降为零。因为三个样品里只有一个样品具有零电阻效应，他们在发表论文时也慎重用了“可能的高温超导电性”的说法。在来年继续完成抗磁性实验测试后，才确定是超导。35 K的临界温度看似不高，但是在当时已经突破了超导材料Nb3Ge保持的23.2 K临界温度记录，相对之前总是在20 K之下的低温超导，这已经算是“高温”了，故而称之为“高温超导体”。柏诺兹和缪勒的论文从1986年6月发表，到1987年10月获得物理诺奖，间隔16个月，几乎创下诺奖工作最快得奖记录。比他们还快的，是两个中国人——杨振宁和李政道 (获奖当时持的还是中华民国护照)，于1957年因弱相互作用宇称不守恒的理论工作获诺奖[7]。

为什么柏诺兹和缪勒能够如此之快获得诺奖，还得归功于中国/华人科学家的贡献。在得知柏诺兹和缪勒工作之后，中国科学院物理研究所的赵忠贤团队和美国休斯顿大学朱经武及阿拉巴马大学的吴茂昆团队对此非常兴奋，因为刚刚找到的“高温超导”材料特性和他们探索高临界温度超导体的思路非常契合。仅仅过去数月时间，这两支来自中国和美国的超导探索队伍不仅完全独立重复了柏诺兹和缪勒的工作，而且还发现了更高超导温度的迹象，最终在1987年2月各自独立成功在Y-Ba-Cu-O体系实现了93 K的超导电性，为此诱发一轮刷超导临界温度的科技竞赛。从35 K 到 90 K，这个惊人的跨越说明铜氧化物超导材料的优越性，意味着它完全可以进入77 K以上的液氮温区，替换掉极其昂贵的液氦来维持低温环境，大规模应用成为可能。

另一方面，按照BCS理论预言，金属或金属合金的超导临界温度不能突破40 K，称之为麦克米兰极限。铜氧化物中的超导，显然突破了该理论极限，也说明BCS理论本身就存在局限性。一般来说，人们认为能够突破40 K以上临界温度的超导体就称之为“高温超导体” (注: 也有说法是20 K)，而不能被BCS理论所描述的超导体称之为“非常规超导体”。铜氧化物属于两者都是的情形，也有一些超导体临界温度虽不高，但同属于非常规超导体。

高温超导发现在当时是极其轰动的，1987年3月的美国物理学会三月会议，特地专门设立“高临界温度超导体讨论会”。来自世界各地的3000多名物理学家挤满了1100人容量的报告厅，狂热的会议讨论一直持续了7个小时，直到凌晨2点才结束。那一次会议被称为“物理学界的摇滚音乐节”，是超导研究史上划时代的重要里程碑。虽然人们纷纷揣测为何没有中国/华人科学家共享1987年的物理诺奖，但最直接的原因是他们的成果公布时间都在1987年1月31日的诺奖提名截止日期之后。令人值得敬佩的是，在当时物资条件和实验条件都极其匮乏的情况下，中国科学家能够独立作出如此重要的世界前沿科学贡献，实在不易。[8]

图表 7 赵忠贤带领的中国高温超导探索团队

超导的最近一次获诺奖，是在2003年由阿列克谢.阿布里科索夫、维塔利.金兹堡获得，奖励他们在超导方面的先驱性理论工作，同年获奖的还有超流理论方面的安东尼·莱格特。这是超导理论研究的第二次获得诺奖，阿布里科索夫和金兹堡的理论与BCS理论不同，后者是基于量子力学的微观理论，而前者只是所谓的“唯象理论”。

这里不得不提的是另外一个著名的苏联理论物理学家——列夫.朗道，他是苏联物理界的奠基人物，对凝聚态物理理论做出了最杰出的贡献，和他比肩的唯有费米，他们俩共同构建了凝聚态物理的基石——朗道-费米液体理论。正是朗道发明了基于相变和临界现象的“朗道相变理论”，不仅可以描述超导现象，也能描述超流现象等一系列凝聚态物理中的相变行为。但是朗道的理论是构造了一个想象中的“序参量”为前提，而不理会材料中的具体物理微观机制，所以称之为“唯象理论”。金兹堡正是和朗道一同针对超导现象发展出来了超导唯象理论——称之为“金兹堡-朗道理论”。

然而光有理论方程并不能说明问题，阿布里科索夫发挥了他的数学天分，从数学上给出了这个理论方程的解析解，并将超导体划分成两大类。第一类超导体只有一个临界磁场，之上为有电阻的正常态，之下为零电阻的超导态。第二类超导体具有两个临界磁场，上临界场之上为有电阻、不抗磁的正常态，下临界场之下为零电阻、完全抗磁的超导态，中间则是具有零电阻但不具有完全抗磁性的混合态。阿布里科索夫特别指出，在第二类超导体的混合态中，磁场可以量子化磁通涡旋的方式进入超导体，每个磁通涡旋对应的磁通量就是一个量子化的最小磁通单位——“量子磁通”，并且它们将组成有序排列的磁通格子。这个理论预言随后在实验上被直接观测到，证明了超导现象是属于一种量子效应。超导磁通量子的存在，意味着超导体在很多时候电磁特性是非常复杂多变的，这既给超导的强电应用带来了许多困难，也给超导的弱电应用带来了许多机遇[9]。因为超导应用方面长久以来的困难性，阿布里科索夫的工作也一直未能得到诺奖委员会的重视。而1962年朗道则早早因液氦等其他凝聚态理论获得诺奖，也可能是委员会担心遭遇车祸的这位天才怕挺不了多少年，赶紧发奖了却遗憾。2003年诺奖时，金兹堡已是87岁高龄，阿布里科索夫已是75岁高龄。不久之后，金兹堡于2009年去世，阿布里科索夫则于2017年去世。确实，欲得诺奖，健康长寿也是重要的前提之一。

图表 8 阿布里科索夫的诺奖证书

以上和超导直接相关的10位诺奖得主也属于不完全统计。实际上超导和超流理论研究一脉相承，在许多物理期刊都将其归为一类。超导BCS理论中的电子配对思想以及对称性破缺的概念，被广泛应用于超流和粒子物理领域，如汤川相互作用、希格斯机制等都与之相关。莱格特、朗道等人虽都是颁给了他们超流理论工作，也或多或少与超导相关。汤川秀树、南部阳一郎和希格斯等人也相继获得了物理诺奖。2016年，物理学诺奖颁给了戴维·索利斯、邓肯·霍尔丹和迈克尔·科斯特利茨三位科学家，以表彰他们在理论上发现了拓扑相变和拓扑物质。其中科斯特利茨和索利斯正是在研究超流和超导现象的时提出了相变的理论模型，称之为“KT相变”[1]。近年来，对材料拓扑性质的研究，开启了凝聚态物理新的大门，物理学为此也正在酝酿一场变革。

图表 9 2016年三位物理诺奖得主

最后，在超导研究方面必定会获得诺奖的将是高温超导的微观理论或非常规超导体的微观理论。正如前文所述，铜氧化物高温超导体和铁基高温超导体已经无法用传统的BCS理论描述，其中遇到的困难甚至是突破朗道-费米液体理论的。也就是说，一旦高温超导微观理论取得实质性的突破，那么传统凝聚态物理研究的基石可能将要重建，对整个物理学的影响都是前所未有的。[10]

参考文献

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

[2] 施郁, 今天诺贝尔物理奖会给谁？先看看过去的赢家都是谁, 科学网博客, 2017/10/3.

[3] 罗会仟, 周兴江, 神奇的超导, 现代物理知识, 24(02), pp 30-39, 2012/2.

[4] 罗会仟, 超导“小时代”之八: 畅行无阻, 物理, 45(04), pp 269-273, 2016/4/12.

[5] 罗会仟, 超导“小时代”之十三: 双结生翅成超导, 物理, 45(11), pp 734-739, 2016/11/12.

[6] 李昆仑, 不要轻信科学家的话——访诺奖得主布莱恩·约瑟夫森教授,《国际人才交流》2010年第06期.

[7] 施郁, 引力波得诺奖极快，但是没有快过两个中国人, 科学网博客, 2017/10/5.

[8] 刘兵, 对1986-1987年间高温超导体发现的历史再考察,《二十一世纪》1995.4.

[9] 于渌，郝柏林，陈晓松. 边缘奇迹：相变和临界现象, 北京：科学出版社, 2005.

[10] 向涛, 薛健, 高温超导研究面临的挑战, 《物理》, 46(08), pp 514-520, 2017/8/12.

本文经作者授权摘编自《超导与诺贝尔奖》（自然杂志，第39卷第6期）。

文章转载自“返朴”微信公众号