中国高被引论文量超越美国,有多少是从0到1的原始创新?

作者: 顾超

来源: 返朴

发布日期: 2022-09-01 08:00:48

本文通过分析高温超导的发展历史,界定了原始创新、一阶创新、二阶创新的概念,并探讨了这些创新在科学研究中的重要性和影响。文章强调了原始创新在推动科技进步和改变世界格局中的关键作用,并以高温超导为例,展示了科学研究中的重大突破如何引领新的科学思想和理论的发展。

近日,Science杂志刊登了日本文部科学省本月最新发布的《科学技术指标2022》,显示中国被引次数最高的论文数量跃居全球第一,超越美国。原始创新是国际科技竞争的制高点,近年来我国也一直高度重视培育原始创新。那么,在这些高被引的顶尖论文中,有多少是“从0到1”的原始创新呢?本文以高温超导研究作为科学史案例,界定了原始创新、一阶创新、二阶创新的概念、特征和内涵。

科学研究中的原始创新能催生新的重大科学思想和科学理论,产生颠覆性技术,对于引领科技革命和改变世界格局具有至关重要的作用。要提升原始创新能力,首先需要在学理上界定清楚:什么样的创新属于“从0到1”的原始创新?除了参考期刊的影响因子、论文的被引率、所获奖项等外部特征,更为重要的是探索原始创新的内在特征。本文尝试用科学史的方法回答这个问题,为原始创新“祛魅”。

本文选择高温超导的发展史作为剖析原始创新的典型案例。

从领域的重要性看,自1911年发现超导现象以来,超导研究一直是科学界的热点和凝聚态物理最活跃的前沿领域,至今已有五次十人因为和超导相关的研究而获得诺贝尔物理学奖;从学科性质看,高温超导研究属于基础科学,同时具有潜在的广泛应用;从创新意义看,高温超导的发现不仅是物理学史上划时代的科学突破,同时还预示着一个超越已有量子场论框架的新的多体量子理论的诞生,其意义超越了发现本身;从历史方位看,如今距离高温超导的发现已有35年了,这个领域的研究仍然充满着惊奇、机遇和挑战;从中国经验看,我国超导研究起步比国际上晚近50年,但在高温超导领域很快赶上,目前已经跻身国际先进甚至领先行列。

高温超导的发现是“从0到1”的原始创新。一方面,这一发现是奠基性的,深刻改变了超导研究的整体格局和研究面貌。柏诺兹和缪勒让科学家们认识到了铜氧化物这一新的超导材料体系,从而引发了大量的扩展性或跟踪性研究,其超导转变温度突破了麦克米兰极限,甚至可以超越液氮温区,为超导的广泛应用提供了巨大的可能性。科学界甚至外行公众都很快认识到高温超导的重要科学意义和应用价值。

另一方面,高温超导的发现是里程碑式的,具有颠覆性的范式革新意义。虽然高温超导属于对新的经验现象的发现,并非传统意义上全新理论范式的建构,但对超导研究乃至凝聚态物理都具有范式革新的意义。

随着铜氧化物超导体的发现,此后高温超导的研究始终沿着两个重要的方向发展:一是探索新的超导材料,不断提高超导转变温度,二是从理论上阐明高温超导机理。

人们在探索超导材料时发现了很多新奇的超导体,然而除了铜氧化物、铁基超导体、富氢材料这三类材料,其他所有超导体的Tc都没有超过麦克米兰极限。由于富氢材料需要极高的压力才能实现超导,并且其超导机理仍属于BCS理论范畴,因此,高温超导材料一般是指铜氧化物和铁基超导体。

1987年初,中国物理学家赵忠贤研究组与美国华裔物理学家朱经武研究组分别独立发现钇钡铜氧化合物具有93 K左右的超导转变温度。这一发现是人类首次实现液氮温区的超导,掀起了全世界探索更高Tc超导材料的研究热潮。1993年,法国科学家Schilling发现汞系铜氧化物的Tc为133 K。此后,常压下的超导材料的Tc至今没有新的突破。

在十余年的沉寂之后,2008年,日本的Hosono研究组在LaFeAsO1???F??中发现Tc为26 K的超导转变,从而掀起了又一轮的铁基超导体研究热潮。不久,中国科学技术大学陈仙辉研究组在SmFeAsO1???F??中发现了43 K的超导转变,同时中科院物理研究所的王楠林研究组在CeFeAsO1???F??中发现了41 K的超导转变,使得铁基超导体打破麦克米兰极限,成为新的一类高温超导体系。

铁基高温超导体的发现与钇钡铜氧超导体的发现一样,是具有颠覆性的重要创新。钇钡铜氧的发现首次实现常压下液氮温区的超导,意味着超导的应用将不再需要依赖昂贵的液氦来维持低温环境,而仅用廉价且大量的液氮就可以,成本有可能大大降低,开启了高温超导材料探索和规模化应用的大门;而铁基超导的发现则打破了磁性和超导无法共存的传统认识,推动了多轨道关联电子系统的研究和发展,为高温超导的研究打开了另一扇大门。

与铜氧化物一样,铁基超导体蕴含着丰富的物理内涵。此外,铁基超导体具有金属性和非常高的临界磁场,材料工艺也相对简单一些,有希望用于制备新一代超强超导磁体,有着良好的应用前景。

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