材料的超級(jí)導(dǎo)電性能，又稱(chēng)“超導(dǎo)”，這一物理學(xué)中最奇妙的現(xiàn)象早在1911年就已經(jīng)被認(rèn)知。用通俗的語(yǔ)言說(shuō)，當(dāng)某些材料被冷卻至某個(gè)臨界溫度以下時(shí)，電阻就會(huì)突然地消失。與此同時(shí)，還會(huì)發(fā)生被稱(chēng)為“Meissner效應(yīng)”的神奇現(xiàn)象，也就是超導(dǎo)體會(huì)對(duì)外加的磁場(chǎng)產(chǎn)生完全屏蔽的作用，磁場(chǎng)也就無(wú)法穿過(guò)材料內(nèi)部。
這樣的超導(dǎo)材料聽(tīng)起來(lái)無(wú)比得酷炫，不僅僅可以大大提高電流的傳輸效率，而且利用對(duì)磁場(chǎng)的排斥作用，甚至可以讓我們居住的房屋漂浮在空中。腦補(bǔ)一下這個(gè)畫(huà)面，就如同《阿凡達(dá)》電影中的哈利路亞懸浮山。到時(shí)候這樣科幻世界中的場(chǎng)景若果真實(shí)現(xiàn)了，就再也不用愁去何處躲霧霾了。我自云端練瑜伽，任憑風(fēng)吹和雨打，這樣的畫(huà)面美得不敢想象......然而，之所以我們至今尚未實(shí)現(xiàn)這一夢(mèng)想，是因?yàn)椴牧袭a(chǎn)生超導(dǎo)性很大程度上受到了材料本身的化學(xué)組成和溫度的局限。自1911年發(fā)現(xiàn)汞的超導(dǎo)性很多年以來(lái)，人們所發(fā)現(xiàn)的大部分超導(dǎo)材料只能在低溫液氦區(qū)，即4 K左右的極低溫下，才產(chǎn)生超導(dǎo)性。這就要求許多的低溫設(shè)備和相應(yīng)技術(shù)的支持，由于費(fèi)用高昂且極不便利而限制了超導(dǎo)體的實(shí)際應(yīng)用。在上世紀(jì)70年代左右，人們開(kāi)始探索臨界溫度更高的，也被稱(chēng)之為“高溫超導(dǎo)”的材料。
到了80年代初期，位于瑞士蘇黎世的IBM公司的物理學(xué)家卡爾·米勒（K. A. Müller）和約翰內(nèi)斯·柏諾茲（J. G.Bednorz）合作在氧化物中尋找超導(dǎo)體。最終兩人在1986年1月16日，也就是31年前的今天，成功合成鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的LaBaCuO的超導(dǎo)材料，其臨界溫度高達(dá)35 K。這一具有里程碑式非凡意義的結(jié)果是高溫超導(dǎo)研究所取得的突破性進(jìn)展，并且隨后掀起了全球范圍內(nèi)研究這一類(lèi)氧化物材料的新高潮。僅在一年之后的1987年，這兩位科學(xué)家就被授予諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，以表彰他們卓越的貢獻(xiàn)和對(duì)其他科學(xué)工作者在高溫超導(dǎo)領(lǐng)域研究帶來(lái)的重要啟迪。
約翰內(nèi)斯·柏諾茲是因此獲得獲得殊榮的兩位科學(xué)家的其中之一，也是主導(dǎo)了整個(gè)科研實(shí)驗(yàn)直到最后獲得重要發(fā)現(xiàn)的那一位。柏諾茲的母親是一位鋼琴老師，父親是小學(xué)老師，他們?cè)诙?zhàn)的漩渦中被迫從波蘭轉(zhuǎn)移到了德國(guó)，并且養(yǎng)育了四個(gè)孩子。1950年5月16日，柏諾茲出生在德國(guó)西部一個(gè)叫做諾因基興的小城，成為了家中最年幼的一個(gè)。俗話說(shuō)“子承父業(yè)”，柏諾茲的父母從小極力培養(yǎng)他學(xué)習(xí)古典音樂(lè)，但他卻從不對(duì)鋼琴感興趣，而更喜歡和他的哥哥們一起修理摩托車(chē)和汽車(chē)，從小便展現(xiàn)出他的動(dòng)手實(shí)踐能力。柏諾茲進(jìn)入中學(xué)后開(kāi)始對(duì)自然科學(xué)異常青睞，并且對(duì)化學(xué)產(chǎn)生了濃厚興趣，從化學(xué)實(shí)驗(yàn)中也學(xué)到了不少操作的技能。
1968年，柏諾茲順利地進(jìn)入了明斯特大學(xué)主修化學(xué)。然而，他卻對(duì)學(xué)校里大課授課的方式不太適應(yīng)，因而轉(zhuǎn)修了人數(shù)較少的晶體學(xué)，這門(mén)在礦物學(xué)中既涉及化學(xué)又涉及物理學(xué)的交叉學(xué)科。1972年，在導(dǎo)師的安排之下柏諾茲成為了IBM公司的蘇黎世研究實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了為期3個(gè)月的暑期交流生。正是這一次前往IBM的經(jīng)歷改變了他之后的人生，因?yàn)樵谀抢锼粌H僅碰到了之后與他一起合作的作為物理部門(mén)負(fù)責(zé)人的卡爾·米勒，跟隨著他學(xué)習(xí)了晶體生長(zhǎng)的工藝和材料表征的方法，同時(shí)也被實(shí)驗(yàn)室中自由與創(chuàng)新的氛圍深深感染。
在1974年，柏諾茲再次來(lái)到了蘇黎世的IBM實(shí)驗(yàn)室開(kāi)始了為期6個(gè)月的碩士畢業(yè)實(shí)驗(yàn)。在米勒的鼓勵(lì)之下，他開(kāi)展了關(guān)于鈣鈦礦結(jié)構(gòu)氧化物以及SrTiO3晶體生長(zhǎng)的課題研究，并且柏諾茲繼續(xù)將此項(xiàng)研究延伸為之后在蘇黎世聯(lián)邦理工的博士課題。
1982年，獲得博士學(xué)位的柏諾茲正式加入IBM公司，并且參與到目前米勒正在開(kāi)展的關(guān)于材料超導(dǎo)性的研究之中。1983年，柏諾茲在米勒的提議下對(duì)一系列過(guò)渡金屬氧化物的陶瓷材料的電學(xué)性質(zhì)進(jìn)行系統(tǒng)研究。雖然陶瓷材料一般被認(rèn)為導(dǎo)電性很差，但正是這一另辟蹊徑的做法，之后給他們帶來(lái)了巨大的收獲！米勒和柏諾茲最初的設(shè)想，是在那些具有可導(dǎo)致所謂Jahn-Teller晶格畸變效應(yīng)的氧化物中尋找。在兩年多的時(shí)間里，柏諾茲夜以繼日開(kāi)展了對(duì)La-Ni-O體系的研究，但是并沒(méi)有成功。之后他又把注意力轉(zhuǎn)向了含銅的氧化物。在無(wú)數(shù)次失敗嘗試之后的1986年1月16日，柏諾茲在一次常規(guī)實(shí)驗(yàn)中對(duì)La-Cu-O氧化體系進(jìn)行了Ba的摻雜，終于發(fā)現(xiàn)了La-Ba-Cu-O體系中超導(dǎo)性的跡象，并且臨界溫度高達(dá)35 K，超越了Nb3Ge所創(chuàng)造的23 K的記錄整整12 K! 這一結(jié)果簡(jiǎn)直令人難以置信，為了保險(xiǎn)起見(jiàn)，經(jīng)驗(yàn)豐富的米勒還是建議柏諾茲繼續(xù)重復(fù)實(shí)驗(yàn)，直到確認(rèn)得到數(shù)據(jù)的正確性后，在4月中旬，柏諾茲與米勒將這一令人振奮的研究結(jié)果提交給了德國(guó)物理學(xué)期刊Zeitschrift für Physik B，并在一個(gè)月后發(fā)表了。次年他們又被共同授予了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。通常需要經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的審核流程與評(píng)選時(shí)間的諾貝爾獎(jiǎng)，此次的頒發(fā)速度之快令人驚訝，也成為了史上獲獎(jiǎng)與成果發(fā)現(xiàn)之間間隔最短的一次，可見(jiàn)這次的發(fā)現(xiàn)有多么重大的意義！果不其然，在這之后幾年內(nèi)，世界各地科學(xué)家們又相繼在這一類(lèi)氧化物中發(fā)現(xiàn)了多種液氮高溫區(qū)的超導(dǎo)材料，例如釔系銅氧化物YBa2Cu3O7-x (YBCO)和鉍系銅氧化物Bi2Sr2Can-1CunO2n+4+x (BSCCO)等材料，一下子把臨界溫度提高到了150 K左右！
31年前的今天，當(dāng)柏諾茲和米勒興奮地觀測(cè)到高溫超導(dǎo)現(xiàn)象時(shí)，他們也許尚未想到這一發(fā)現(xiàn)對(duì)整個(gè)凝聚態(tài)物理學(xué)界和將來(lái)人類(lèi)對(duì)物質(zhì)認(rèn)識(shí)所帶來(lái)的革命性改變。我們也完全有理由相信，作為未來(lái)材料的超導(dǎo)材料必定會(huì)給世界帶來(lái)翻天覆地的變化，有朝一日室溫超導(dǎo)也最終會(huì)實(shí)現(xiàn)，我們距離夢(mèng)想的距離從未遙遠(yuǎn)！
