论文发表16个月即得诺奖，这究竟有何魅力？罗会仟

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？

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。