未来科学大奖得主陈仙辉：证明铁基超导体是第二类高温超导体

2023未来科学大奖近日揭晓，其中的“物质科学奖”颁发给两位中国科学院院士——赵忠贤和陈仙辉，以表彰他们对高温超导材料的突破性发现和对转变温度的系统性提升所作出的开创性贡献。

1986年读研究生时，陈仙辉赶上第一个铜基高温超导体发现的研究热潮，此后的30余年，他一直在这个领域深耕。2008年，陈仙辉团队参与了铁基超导发现的过程，突破了40K超导转变温度的BCS理论的麦克米兰极限，也证明了铁基超导体是第二类高温超导体。

1963年3月，陈仙辉出生于湖南湘潭。16岁时，他考入江西省宜春师范专科学校（现宜春学院）物理系。1982年毕业后，他被分配到江西省棠浦煤矿子弟学校当老师。对20岁初头的小伙子来说，在中学教书的时光悠闲自在，但一次经历改变了他的人生。

当时，他来到江西南昌和浙江杭州，省会城市的良好环境让他意识到，在小县城教书有碍自己的发展。1986年，他考上了杭州大学（现浙江大学）的研究生。巧合的是，就在这一年，瑞士科学家柏诺兹和缪勒首次发现钡镧铜氧化物在30 K以上（K为绝对温度“开尔文”的符号，0K=-273.15℃）时出现了超导现象，随后铜氧化物高温超导体的临界温度大幅提高，使材料在低价的液氮降温环境下达到零电阻。此后，多国科学家在高温超导研究领域展开了激烈竞争。

陈仙辉回忆说，那会儿高温超导体发现的研究正热，他在杭州大学的导师将其送往中国科学技术大学联合培养。“当时，每个学生的伙食定量供应，全靠老师和同学们帮我解决饭菜票的问题。”也就是从那时起，他开启了和超导的缘分，在中国科学技术大学一路读到博士，并留校任教。

在日常生活中，电器使用时间过长就会过热，这是导体内部的电阻造成的。电阻引起的发热现象不仅影响电器的日常使用，在能源利用上也是一大浪费。如目前的铜或铝导线输电，约有15%的电能消耗在输电线路上。

1911年，荷兰科学家海克·卡末林·昂内斯发现，当汞冷却到4.2K（-269℃）时，汞的电阻就消失了。随后的研究中，他还发现许多金属和合金也具有相同特性。由于这些材料超乎一般导体的导电性，他把它们称为“超导态”或“超导体”。

“超导一经发现就引起人们的关注，至今有110年历史，已经有5次共10个人因超导相关研究获得诺贝尔奖。”陈仙辉说，作为一种量子材料，超导体具有独特的零电阻和完全抗磁性特性，在能源、信息、医疗、交通和电力等领域有广泛应用，比如医院做核磁共振的磁体就是超导磁体，再如超导磁悬浮列车，利用的就是超导体的完全抗磁性特性。

在科学研究方面，目前大型加速器和可控核聚变的建造成本很大比例用于超导磁体。“可控核聚变的温度在上亿摄氏度以上，磁约束核聚变装置也需要超导材料产生强磁场，来约束温度极高的等离子体的核燃料，以使其反应。”

参与铁基超导发现过程

传统超导体有一个临界温度的天花板——“麦克米兰极限”，即超导临界温度不能超过40K (零下233.15℃)。

1986年12月26日，中国科学院物理研究所赵忠贤等人发现起始转变温度为48.6K的锶镧铜氧化物超导体，并观察到在钡镧铜氧化物超导体70K时出现的超导现象，中国的超导研究步入世界领先行列。

彼时，正在读研的陈仙辉也为投身高温超导研究热潮感到兴奋。当时的他未曾想到，20多年后，他将和自己一直敬佩、敬重的赵忠贤分享2023未来科学大奖“物质科学奖”。

高温超导材料主要有两大类。而在2008年之前，被发现的仅有铜氧化物高温超导体。多年来，科学家们致力于发现其他高温超导材料，通过了解其与铜氧化物的共性问题，来理解非常规高温超导的机理问题。

2008年，日本科学家细野秀雄在26K的临界温度下发现一种铁基超导体。此后，陈仙辉团队发现常压下铁基超导体的超导转变温度高达43K，突破常规超导体40K的麦克米兰极限，也证明了铁基超导体是第二类高温超导体。

铁基超导被国际上认为是当年最重要的科学进展之一。2008年美国著名杂志Science评选的年度世界十大科技进展就包括铁基高温超导体的发现（包括日本和中国科学家的工作）。

铁基超导有很强的金属性，一些传统金属超导体的加工工艺都可以直接用于铁基超导器件的加工。“我们现在发现，铁基超导的性能在高磁场下的临界电流密度的特性非常高，同时它也有拓扑超导的性质，可以用于拓扑超导量子计算等方面的应用。”陈仙辉说。

2015年，国际超导材料最高奖——Matthias奖授予赵忠贤和陈仙辉，这是我国超导研究成果首次荣获该奖项。

“我们团队未来还将坚持对新型超导体的探索和相关物理的研究，致力于发现更加适合应用的超导材料。”陈仙辉说，目前超导研究实验条件大幅提升，人才队伍也日渐增强，期待在我国发现一个中国人自己原创的、具有重大科学意义且有广泛应用的非常规高温超导体系。“这是我们目前工作的重点。”

受导师影响成为“严师”

在陈仙辉的科研和教学道路上，他的博士导师吴杭生院士对他影响深远。每每念及这位已经逝世的恩师，陈仙辉总是感慨，老师严谨的科学态度、对学生的严格要求和提携后辈的行为潜移默化地影响了他。

1992年博士毕业后，陈仙辉留在中国科学技术大学物理系任教。1996年起，他开始给本科生讲授《热力学与统计物理》课程，一直讲了19年。“我走上讲台之前，吴先生足足让我跟堂听了3年课，才向教学秘书推荐了我。后来又让我到他家，在他家的黑板上讲了两次课，觉得我可以胜任，才让我去任教。”他回忆说，当时的老师将教学排在科研前面，对教学非常重视。

陈仙辉真正授课时，吴杭生还派了一位做理论的研究生随堂听课，研究生反映陈仙辉讲得不错，吴杭生又去找上课的学生“调研”，大家的反馈都挺好，他这才放心，放手让陈仙辉自由授课。

上世纪九十年代初，人们的生活条件还很艰苦。吴杭生家里每次炖了鸡、做了红烧肉，就把学生叫到家里聚餐。“我现在做红烧肉的手艺也是导师手把手教的，后来我也经常在家里烧红烧肉给自己的学生吃。”

吴杭生对教学的严谨态度，让陈仙辉认识到教师的责任。在中国科学技术大学，他以“严师”著称，甚至导致一些学生在考虑进他实验室时有所顾虑。“对学生严格要求只是在工作上，在其他方面，我也会给予毫无保留的支持和帮助。”

他认为，培养学生不仅是为了成果的产出，关键是培养学生的能力和科学素养。尽管工作繁忙，他也会坚持召开每周一次的组会，要求学生对一周工作进展进行思考和汇报。“如果PPT经常写错分子式或者数字，我会批评，因为科学的东西必须严谨，而严谨的习惯是平时养成的。”

陈仙辉要求学生看一篇文献后，要用自己的语言描述，通过重塑提高科研能力，让他们有自己创新的想法，开展创新的课题。对于年轻科技工作者，他希望他们独立思考，坚持原始创新。“坚持原始创新是科研人员的生命。”陈仙辉说。

新京报记者 张璐