特稿

引领未知的凝聚态物理

       对物质的应用和认知改变了我们的生活，比如LED的发明。物质科学实际上涉及了很多领域，物理学、化学等等。物理学一方面非常大，即研究非常大尺度上的物理现象，比如说宇宙学；另一方面又非常小，研究物质世界最小的、最根本的组成，这也是物理学的另一个分支——凝聚态物理。它的特点就是多，把很多东西放在一起，展现出非常不一样的东西。这就是超导式物理的核心，核心对超导来说就是集体的力量。

       凝聚态物理包括三个方面。第一，测试新的物理概念。很多东西人类是无法测量的，宇宙间的事情是不可控的，我们只能观察，而不能真正地测试，但凝聚态物理的一个特点就是比较容易测试相对的物理概念。第二，优化材料的物理性质，这是一个应用。第三，发现新材料、新特性。凝聚态物理能发现一些由于人类知识的局限性而没有想到的新事物。

       关于凝聚态物理优化物质的特点，也有很多的例子。比如从材料角度讲，过去六七十年，是我们控制和优化一种材料的过程——硅，这是产生信息革命的基础。所以掌握一种材料及其特性，会产生极大的作用，还会产生意想不到的东西。再比如，有一种新材料——钻石，钻石除了漂亮之外还有很多其他性质。2003年，美国一家石油公司偶然发现，石油中有很多非常小的钻石，只有几个原细胞大。我们研究发现，这种简单的小钻石可以用来做电子材料，分子自组装和分子医学也可以用它做生物成像。此外，2016年我们以这种小钻石为平台，做了一个世界上最细的纳米馆，实现了用原子组成一条线。

超导的“凝聚力”

       超导是凝聚态物理中一个非常有代表性的领域，超导研究涉及到了凝聚态物理的各个方面，包括测试新的概念、优化材料的物理性质以及发现新的特点。超导是什么呢？从表征上看，就是电阻为零。超导还有一个特点，就是抗磁性，人们将这种现象称之为“迈斯纳效应”。人们用此原理可以制造超导列车和超导船，由于这些交通工具将在悬浮无摩擦状态下运行，这将大大提高它们的速度和安静性，并有效减少机械磨损。超导的核心原理是量子的凝聚，超导里面所有的电子都同心协力做一件事情，就是我们平时所说的集体的力量。

       但是要使电子聚在一起并不容易，这就是超导难的原因。而高温超导更难，因为超导是在极低温环境下被发现的。理论上，超导是一种人无法直接感知到的宏观的量子现象，因此在超导被发现的前80年里，大家都认为这只是一个极低温现象，是自然界的错误才让我们看到了这个现象。

       超导的研究意义在哪里呢？首先在于它本身是一种非常奇妙的现象，它有非常深刻的道理，即怎样让大家同心协力做一件事情。其次，在超导现象中有一种集体效应，用数学语言写下它们的组织原理，给我们带来很多启发，这是超导研究的一个比较深刻而又广泛的应用。

       超导具体应用在哪里呢？目前超导的应用主要集中在医疗领域，将来也会应用在交通领域。日本正在建设世界上首条城际超导磁悬浮高速铁路，从东京至名古屋全程286公里，设计运行速度每小时505公里，预计2027年正式投入商业化运行。我相信日本先行以后，中国的高铁也会再提高速度，完全可以改变国际高铁市场格局。在能源领域，尤其是清洁能源的传送方面，超导也是非常实用的。还有就是无线通讯，这是现在可以看得到的。量子计算也是未来非常重要的一个方向。我们其实并不清楚量子计算到底能否做得出来，但仍是一个非常重要的科学方向，而超导也是最有竞争力的手段之一，甚至可能是量子计算机的一条道路。

“硬骨头”超导

       可以看出，超导可以影响人类生活的方方面面，但同时超导研究也是一块硬骨头。在物理学家当中，最聪明的阿尔伯特·爱因斯坦花了很多时间在超导研究上，却始终没有突破；还有一个非常著名的物理学家沃纳·卡尔·海森堡，曾用一个理论解释超导。但当最后成功的超导理论出来以后，另外一位著名的物理学家沃尔夫冈·泡利却说了这样一句话：“我早就说过沃纳·卡尔·海森堡这个傻瓜的理论是完全不对的。”另外还有一位非常著名的俄国物理学家列夫·达维多维奇·朗道，他在超导研究方面也没有突破。近代物理学家、美国公认的天才理查德·菲利普斯·费曼也投入了很多时间专心研究超导，做了6年多也没有文章发表。但并不是没有人成功过，这些优秀的物理学家都是因在超导研究的各个方向做出突出贡献而获得诺贝尔奖的，所以超导也是物理学当中获得诺贝尔奖的一个分支。

       超导发现的最初80年是一个非常缓慢的进程。1911到1986年，超导温度由水银的4.2K提高到23.22K（K为开尔文温标，起点为绝对零度）。1986年1月发现钡镧铜氧化物超导温度是30K，12月30日，又将这一纪录刷新为40.2K。1987年1月升至43K，不久又升至46K和53K，2月15日发现了98K超导体。这是高温超导体研究取得的巨大突破，使超导技术走向大规模应用。虽然直到今天超导应用还非常具有争议性，但不可否认，超导是一个非常令人期待的领域。

超导定义文明下一站

       人类是通过物质或材料来定义文明阶段，我们经历了石器时代、青铜器时代和铁器时代。如果用一种材料来定义现在这个信息时代，最有影响的应该是“硅”。那么什么材料有潜力定义人类文明的下一个阶段？我认为如果能研究出室温超导，是有可能影响整个人类文明进程的，它将影响到医疗、通讯、交通、能源、计算、信息等方方面面。

       做一件事情，难并不重要，重要的是你做的必须是值得做的事情，这也是一代又一代物理学家前仆后继攻克超导的原因，它的前程实在太重要了。那么室温超导能实现吗？超导的广泛应用是否可以作为人类文明新时代的标志？这些都是需要我们继续深入研究，并且报以期待的。