超导与诺贝尔奖

罗会仟

中国科学院物理研究所，北京 100190

超导与诺贝尔奖

罗会仟†

中国科学院物理研究所，北京 100190

超导作为凝聚态物理前沿领域之一，百余年来长盛不衰，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。随着超导研究的不断发展，中国科学家在其中的贡献也越来越重要，特别是在铁基超导领域已经引领世界前沿。本文将从各位诺奖得主的经历，主要介绍超导研究及其重要性， 并探讨未来超导领域可能产生诺奖之处。

超导；诺贝尔奖；铁基超导；凝聚态物理

每年的十月初，科学界都要热闹一波，因为这是诺贝尔奖宣布的时间。虽然诺奖并不代表最高的学术研究水平，但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有50位左右[2]。在这些科学家中，至少有10位科学家(图1)是直接因为超导的相关研究而获得物理诺奖。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年)，阿列克谢•阿布里科索夫、维塔利•金兹堡(2003年)[3]。

确切地说，超导只是凝聚态物理领域中的一个分支，算是整个物理的分支的分支。为何一个小小的超导领域，具有如此强大的生命力，又如此受诺奖委员会的青睐呢？

超导，从字面上理解，就是“超级导电”之意。处于超导态的材料，其电阻率为零，且具有非常强大的完全抗磁性，即处于外磁场中时其内部磁感应强度也是零。如此优越的电磁特性，是其他任何材料都难以比拟的。于是，凡是需要用到电或磁的地方，超导都有大显神通的机会。例如，采用超导材料替换传统的铜铝合金输电线，就可以节约高压输电仍难以避免的15 %左右的输电损耗。利用超导线圈制作的超导磁体，磁场强度可以达到25 T以上，和常规磁体搭配甚至能够实现45 T以上的超强稳恒磁场。如今医院核磁共振成像仪大多采用了超导磁体技术，最高分辨率足以把人类大脑里860亿根神经元给全部测绘出来！利用超导的强大电磁特性，可以实现604 km/h的高速稳定超导磁悬浮列车，从北京到上海的旅程可缩短至2 h左右。超导材料的量子特性更具令人艳羡的极大应用潜力，因为超导电性的形成，正是由于材料中的电子体系发生了两两配对而形成电子集体的宏观量子凝聚态。利用超导电子集体之间的量子干涉行为，可以实现最高精度达到量子极限的超导量子干涉仪。利用超导量子效应做成的逻辑运算单元——超导量子比特，可以构造运算能力比传统计算机高数十万倍的超导量子计算机。即便是简单利用超导材料对光、电、磁的敏感特性，也可以制作极其敏感的单光子探测器，是目前量子卫星通信技术的关键元件；也可以制作信噪比极好的超导滤波器，在信息爆炸的时代提供优越的通信质量保障；还可以制作超导太赫兹发生器和接收器，在军事和安全领域具有极大的潜力。以上例子不过是超导应用领域的一小部分。正是因为超导如此具有诱惑力，才驱使一代又一代的科学家为之着迷[4]。

图1 因超导获诺贝尔物理学奖的10位科学家

超导的重要性，远远不局限于它的广阔应用潜力。事实上，针对超导现象的研究，带动了凝聚态物理学乃至整个物理学的发展。在实验上，针对超导材料各种复杂特性的研究，促使人们不断改进各种测量技术精度，提高测量环境指数，发展新的测量手段。例如：针对材料电子微观状态测量的光电子能谱技术，其能量分辨率从最初的100 meV，到现在1 meV以下，固体核磁共振技术能够达到10 mK低温，电阻测量技术能达到200万个大气压的超高压，新的共振非弹性X射线技术得以迅速发展。这些实验技术的发展，是近百年来凝聚态物理不断涌现新现象和新发现的硬件基础。在理论上，针对超导电性的研究发展出来电子配对的思想和对称性自发破缺的概念，影响到了冷原子、粒子物理、宇宙学等领域；而对关联电子效应的认识推进了人们对多体相互作用的理解，转而采用拓扑序来重新描述我们的微观世界。新的理论框架正在萌芽生根成长，凝聚态物理大厦即将重新焕发青春，甚至整个物理学可能出现再次变革[5]。

正是因为超导如此具有非凡魅力和重要性，才在百余年来一直属于物理学前沿的研究内容，并被诺奖委员会看重。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，而那些因超导获奖的科学家，每个人都是一部有趣的传奇。

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而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年获物理诺奖)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(图2)，获得常压下沸点为4.2 K的液态氦。利用液氦进一步减压制冷，可以达到约1.5 K的低温环境，而He-3制冷则可以达到0.1 K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，因为当时的实验条件根本达不到足够低的温度。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的时候，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，发现室温下导电性最好的铂、金等到了低温都存在剩余电阻率。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10-5Ω。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4.2 K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，才慎重地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以不断提高实验精度。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10个数量级。如果在超导环里实现1 A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，令人不免为其神奇之处感叹不已[6]！

图2 莱顿大学关于昂尼斯获得液氦的纪念碑

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世纪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(图3)。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是，对超导微观本质的理解一直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，但是，都失败了。可以说，超导的理论问题搭进去一大群诺奖得主，却依然无果。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，人们才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，巴丁敏锐地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。超导微观理论几乎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[7]。

图3 各种代表性超导材料发现的年代及其临界温度

这里有几个有意思的故事。巴丁找施里弗做这个方向研究的时候，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。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(图4)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(图5)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。在获第一个诺奖的时候，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的熏陶。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，中国组建了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4 巴丁的诺奖证书和两枚奖章

图5 巴丁、布拉顿、肖克利在贝尔公司

紧接着的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的物理诺奖。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，他要约瑟夫森自己找研究课题。偶然一次聆听当时的另一位大牛物理学家——菲利普•安德森(1977年物理诺奖得主)的演讲，约瑟夫森觉得两个超导体之间可能存在集体量子隧道效应现象。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，他才总算勉强毕了业。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。然而安德森注意到，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，就让同事重复类似实验，并成功观察到了约瑟夫森理论预言的结果[8]。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的态度来了个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方面做了大量的“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，中国业已在上海投建阿里巴巴量子计算实验室，期待能在10年内建造出国产量子计算机。

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的临界温度记录，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”(图6)。柏诺兹和缪勒的论文于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的得奖记录。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[9]。

图6 柏诺兹展示La-Ba-Cu-O高温超导体结构

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的工作之后，中国科学院物理研究所的赵忠贤团队(图7)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”材料特性和他们长年以来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月各自独立地在Y-Ba-Cu-O体系成功实现了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，使大规模应用成为可能。另外，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。高温超导的发现在当时是极其轰动的，1987年3月的美国物理学会3月会议，特地设立“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的科学贡献，实属不易[10]。

图7 赵忠贤带领的中国高温超导探索团队

超导获诺奖的最近一次，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。这是超导理论研究获得的第二次诺奖。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，对凝聚态物理理论作出了最杰出的贡献，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[11]。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。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这位遭遇车祸的天才挺不了多少年，赶紧发奖了却遗憾。2003年获得诺奖时，金兹堡已是87岁高龄，阿布里科索夫已是75岁高龄(图8)。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，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、朗道等人获得的诺奖虽都是颁给了他们的超流理论工作，却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(图9)，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候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，一些在粒子物理领域常年来难以寻觅的“幽灵粒子”或“天使粒子”，也相继在凝聚态物质中被发现，物理学为此也正在酝酿着一场变革。

可以肯定的是，超导领域还将会涌现多位诺奖。那么，超导的下一个诺奖会颁给什么研究成果？颁给哪国科学家？颁给哪几位科学家？

图9 2016年三位物理诺奖得主

图10 铁基超导发现者西野秀雄

2008年发现铁基超导材料的日本科学家西野秀雄(图10)是超导诺奖“候选者”之一，在近些年被多家机构预测可能获得诺奖。铁基超导材料是继铜氧化物高温超导体之后发现的第二大高温超导家族，具有非常庞大的材料体系，当之无愧是新超导材料之星。有意思的是，西野秀雄发现铁基超导体时，其中最高临界温度的是La-Fe-As-O-F体系中的26 K，并未突破40 K的麦克米兰极限，尚不能确认是高温超导体。实现这一重大突破，并将块体超导温度提升至55 K的，正是来自中国本土的科学家们。更难能可贵的是，中国科学家在这场铁基超导新浪潮中，已经从过去超导研究中的跟随者迅速成长为一个浪潮引领者。不仅在铁基超导材料探索方面取得多项突破性的发现，而且在铁基超导物性的实验研究方面获得多项世界领先的成果，在铁基超导理论方面率先提出各种理论解释和模型，在铁基超导材料强电应用方面成功领衔世界，几乎全方位占据了世界最前沿。用《科学》杂志评论的一句话：“新超导体将中国科学家推向世界最前沿。” 2008年铁基超导被多家机构评为世界十大科学进展之一。中国铁基超导研究团队(图11)获得了2009年度“求是杰出科学成就集体奖”和2013年度国家自然科学一等奖；中国科学家赵忠贤和陈仙辉因铁基超导材料的突出贡献获得2015年度超导材料探索领域最高荣誉“马蒂亚斯奖”；中国高温超导研究的领军科学家赵忠贤院士获得2016年度国家最高科学技术奖；清华大学薛其坤因单层铁硒超导等研究获得2016年度“未来科学大奖”物质科学奖。这系列奖项说明，中国科学家在世界超导研究领域已经占据先锋队里的一席之地[12]。

图11 中国铁基超导研究团队

2015年发现的硫化氢高压超导也可能是下一个超导诺奖的热门“候选”。两位德国科学家德罗兹多夫和厄麦斯(图12)在实验上成功测量了200万个大气压下H3S的电阻和磁化率，发现了高达203 K的超导电性，是目前为止超导临界温度的最高纪录。虽然该体系超导微观机理比较清楚，而且如此高的外界压力也意味着应用几无可能，但毕竟也是突破纪录的启发性尝试[13]。

此外，在超导材料探索方面，1979年发现的有机超导体和重费米子超导体属于非常规超导体的另两大家族，也可能是下一个超导诺奖。当然，人们更加期待在未来的某一天，室温300 K下的超导体会被发现，那必定将诞生另一个超导诺奖[14]。

图12 发现硫化氢超导的两位德国科学家德罗兹多夫和厄麦斯

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[15]。

当然，诺奖是无法100%预测的，获不获得诺奖，科学家都会为超导之谜而持续不断地奋斗。可喜的是，近年来，中国在超导研究之路上的队伍不断发展壮大，无论在超导材料探索、超导物性研究、超导机理研究、超导应用技术方面，中国科学家的贡献都越来越多、越来越重要、越来越前沿。我们完全有理由相信，下一个超导领域的重大突破，也许会发生在中国，甚至是我们自己的身边。届时，是否需要用诺奖来衡量，都已不再重要。

(2017年10月25日收稿)

[1] All Nobel Prizes in Physics [EB/OL]. [2017-10-20]. 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[EB/OL]. (2017-10-03)[2017-10-20]. http://blog.sciencenet.cn/blog-4395-1078858.html.

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

[4] 章立源. 超越自由: 神奇的超导体[M]. 北京: 科学出版社, 2005.

[5] 张裕恒. 超导物理[M]. 合肥: 中国科学技术大学出版社, 2009.

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

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

[8] 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[J]. 国际人才交流, 2010(6): 15-16.

[9] 施郁. 引力波得诺奖极快, 但是没有快过两个中国人[EB/OL].(2017-10-05)[2017-10-20]. http://blog.sciencenet.cn/blog-4395-1079232.html.

[10] 刘兵. 对1986-1987年间高温超导体发现的历史再考察[J]. 二十一世纪, 1995(4): 89-98.

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

[12] 罗会仟. 铁基超导的前世今生[J]. 物理, 2014, 43(7): 430-438.

[13] 罗会仟. 臭鸡蛋硫化氢超导事件的十点回顾[EB/OL]. (2016-10-11)[2017-10-20]. http://blog.sciencenet.cn/home.php?do=blog&id=1007997&mod=space&uid=22926.

[14] 罗会仟. 纳尼, 室温超导体来了！？[EB/OL]. (2016-07-06)[2017-10-20]. http://blog.sciencenet.cn/blog-22926-988933.html.

[15] 向涛, 薛健. 高温超导研究面临的挑战[J]. 物理, 2017, 46(8): 514-520.

Nobel Prize in superconductivity researc h

LUO Huiqian
Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China

Superconductivity has been the frontier research area in condensed matter physics for more than one hundred years. At least, there are 5 Nobel Prizes in Physics awarded to superconductivity research, and about 10 laureates. More impressively, Chinese scientists have been making more and more important contributions to the superconductivity research, especially for recent leading studies on iron-based superconductors. Here, we will learn about the stories from these Nobel laureates, and introduce the importance of superconductors. Further possible Nobel prizes in superconductivity will be also discussed.

superconductivity, Nobel Prize, iron-based superconductor, condensed matter physics

10.3969/j.issn.0253-9608.2017.06.005

†通信作者，E-mail: hqluo@iphy.ac.cn

(编辑：沈美芳)

数百枚翼龙蛋揭示翼龙早期发育过程

2017年12月1日，美国《科学》（Science）在线发表了中国与巴西两国科学家组成的国际合作团队对哈密翼龙蛋与胚胎发现的重要成果。通过对一件产自保存有超过200枚翼龙蛋，并且其中16枚翼龙蛋含有三维立体的胚胎化石标本的细致分析，首次提出一种新的假说或观点：虽然是一种相对早熟型的胚胎发育模式，但翼龙胚胎发育并不像之前认为的那么早熟，还需要成年翼龙的照顾。这是继2014年在哈密戈壁发现大量雌雄哈密翼龙和世界上首枚三维立体保存的翼龙蛋之后的又一次重要发现。

翼龙，与恐龙同时代存在、统治天空霸权的史前脊椎动物，因化石稀少而留下许多谜团。这件令人惊叹的标本由三块可以互相连接的砂岩块组成，出露面积约3.28 m2，已经暴露的翼龙蛋化石就有215枚，包括下伏没有完全暴露的翼龙蛋，数量可能更大，推测可达300枚，同时还有10余个头骨和下颌，以及数量众多的头后骨骼。此前，全世界发现的翼龙化石总共不过11枚。这是世界上首次发现三维立体保存的翼龙胚胎蛋，为了解翼龙胚胎发育、生殖策略等提供新的证据。

这件标本，是由中国科学院古脊椎动物与古人类研究所汪筱林研究员领导的新疆哈密科考队，在新疆哈密戈壁下白垩统地层发现并抢救性采集的。历经10多年连续的野外科考，科考队对翼龙化石的分布范围、富集和埋藏规律有了深入的认识。在灰白色湖相砂岩中，夹有富集翼龙蛋和头骨等骨骼化石的红色泥岩砾屑的风暴沉积层，厚10～30 cm。在2.2 m的剖面上，有8层富含翼龙化石，其中4层同时含有翼龙蛋化石。哈密地区成为中国乃至世界上又一重要的翼龙化石宝库。

大量翼龙蛋、胚胎和头骨等骨骼化石的发现，显示哈密翼龙具有群居的生活习性，而且这里很可能是它繁殖产蛋地点之一。哈密翼龙是一种翼展可达3.5 m的大型翼龙，生活在距今约1.2亿年的哈密地区，当时哈密地区是一个大型湖泊。多次大型湖泊风暴事件导致翼龙集群死亡并短距离搬运快速埋藏，也造就了哈密戈壁如此丰富的翼龙蛋与骨骼化石的特异埋藏。

此次研究的16枚翼龙胚胎蛋化石基本是不完整，骨骼从一根到几根均有。对接近孵化状态的几枚胚胎进行CT扫描、三维重建以及胚胎发育研究显示，哈密翼龙胚胎的股骨已经完全发育，意味着很可能哈密翼龙孵化后就具备了在陆地上行走的能力；其左右两侧的肱骨却还没有发育完全，还不具有弯曲的三角肌脊——翼龙附着与飞行相关的胸肌的位置，意味着翼龙孵化后很可能还不具备飞行能力，只有行走能力。此外，翼龙胚胎中没有发现任何牙齿的痕迹，因为牙齿萌发较晚，翼龙宝宝很可能也不能主动捕食，需要父母进行喂食或者照料。

此外，科学家选取了哈密翼龙的两枚胚胎和数件幼年到接近成年个体的长骨进行骨组织学研究，首次揭示了翼龙生长发育史。哈密翼龙具有较快的骨骼生长发育速度。翼龙胚胎主要由编织骨组成，幼年到亚成年的上肢骨骼则主要以纤层骨为主，最接近成年的个体在死亡时至少有2岁，但还没有完全达到成年。

[段艳芳 据《Science》，2017-12-01]