高溫超導(dǎo)研究:掀起了一場“暴風(fēng)雨式的重大發(fā)現(xiàn)”

文　嚴(yán)佳婧

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高溫超導(dǎo)研究:
掀起了一場“暴風(fēng)雨式的重大發(fā)現(xiàn)”

文嚴(yán)佳婧

復(fù)旦超導(dǎo)實驗室里探究竟，平均年齡不足40歲的高溫超導(dǎo)研究團隊或?qū)㈩嵏矊W(xué)術(shù)界。

攻克重重難關(guān)　締造無數(shù)第一

復(fù)旦大學(xué)物理系封東來教授課題組完成的項目“鐵基超導(dǎo)體電子結(jié)構(gòu)的光電子能譜研究”早前獲得了“2015年度國家自然科學(xué)獎”二等獎，消息一出，掀起了這個前沿科學(xué)圈內(nèi)的學(xué)術(shù)風(fēng)浪。

高溫超導(dǎo)電性是凝聚態(tài)物理最前沿的問題之一，有重大的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用價值。復(fù)旦大學(xué)物理系青年科學(xué)家封東來教授領(lǐng)銜開展的“鐵基超導(dǎo)體電子結(jié)構(gòu)的光電子能譜研究”，率先發(fā)現(xiàn)新的一類鐵基超導(dǎo)體的電子結(jié)構(gòu)，挑戰(zhàn)了之前的鐵基超導(dǎo)主流理論。

該項目以電子結(jié)構(gòu)為突破口，利用先進的角分辨光電子能譜技術(shù)獲得了鐵基超導(dǎo)中電子的微觀信息，揭示出超導(dǎo)電性和磁有序現(xiàn)象的機理，做出了多個原創(chuàng)性的發(fā)現(xiàn)和許多開拓性的工作：第一，在超導(dǎo)配對的形式方面，率先發(fā)現(xiàn)了新的一類鐵基超導(dǎo)體的電子結(jié)構(gòu)并給出了第二類鐵基超導(dǎo)體母體相的電子結(jié)構(gòu)；第二，在超導(dǎo)配對的膠水方面，率先確立第一類鐵基超導(dǎo)母體材料磁有序態(tài)的電子結(jié)構(gòu)微觀特征，證明局域磁矩相互作用在超導(dǎo)配對中的作用；第三，在電子結(jié)構(gòu)精確的測量方面，率先實驗確定鐵基超導(dǎo)中復(fù)雜的多軌道電子結(jié)構(gòu)并給出多個系列鐵基超導(dǎo)的詳細電子結(jié)構(gòu)，獨立發(fā)現(xiàn)了第一類鐵基超導(dǎo)能隙的三維特征及軌道依賴關(guān)系。

這些成果為理論和其他實驗研究打下了基礎(chǔ)，一定程度上引領(lǐng)了國內(nèi)外鐵基高溫超導(dǎo)電子結(jié)構(gòu)和機理的實驗研究。更值得注意的是此次項目研究結(jié)果的顛覆性，封東來團隊的多個原創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)：如過去一貫認為鐵基超導(dǎo)體屬于“弱耦合配對”，但他們發(fā)現(xiàn)了新一類鐵基超導(dǎo)體的電子機構(gòu)，提出了“強耦合配對”理論。這一重大發(fā)現(xiàn)打破了鐵基超導(dǎo)自2008年發(fā)現(xiàn)以來被建立的主流理論圖像，打開了一扇新的大門。該項目共發(fā)表19篇論文，包括刊登于Nature Materials 1篇，刊登于Physica Review Letters 4篇，刊登于Physical ReviewX 1篇，刊登于Physical ReviewB 6篇，并且共被SCI他引525次。在海外學(xué)術(shù)界，被認為掀起了一場“暴風(fēng)雨式的重大發(fā)現(xiàn)”。

封東來

現(xiàn)為復(fù)旦大學(xué)物理系教育部長江特聘教授，先進材料實驗室微納電子部副所長，兼任中國科技大學(xué)兼職教授、日本廣島大學(xué)同步輻射中心客座研究員，中國物理學(xué)會同步輻射分會學(xué)術(shù)委員、國家同步輻射實驗室用戶委員會副主任，亞洲晶體學(xué)聯(lián)合會、國際新超導(dǎo)體的譜學(xué)等系列會議組委，并曾任中國物理學(xué)會2003、05、06、07年會“超導(dǎo)和強關(guān)聯(lián)物理”分會主席，亞洲晶體學(xué)聯(lián)合會2007年會分會主席。此外，封東來教授還于2004年獲國務(wù)院政府特殊津貼，上海市科技啟明星；2005年獲復(fù)旦大學(xué)校長獎；2006年獲得中國青年科技獎，入選新世紀(jì)百千萬人才工程國家級人選。

新一類鐵基超導(dǎo)體的電子機構(gòu)的發(fā)現(xiàn)打破了鐵基超導(dǎo)自2008年發(fā)現(xiàn)以來被建立的主流理論圖像

凝聚核心技術(shù)　堅持推陳出新

在復(fù)旦大學(xué)應(yīng)用表面物理國家重點實驗室，封東來教授和學(xué)生們搗鼓著親手搭建起來的實驗器材和設(shè)備，開展高溫超導(dǎo)電性的基礎(chǔ)研究。這位43歲的科學(xué)家，剛摘得“2015年度國家自然科學(xué)獎”二等獎。是此次最年輕的得獎人，而他的團隊中，最年輕的是一位正宗的85后。

封東來教授領(lǐng)導(dǎo)的團隊不乏85后年輕人

如此朝氣蓬勃的隊伍，面對的又是最先進最前沿的鐵基高溫超導(dǎo)研究領(lǐng)域，到底面臨怎樣的困難，經(jīng)歷過多少次考驗？據(jù)封東來教授介紹，現(xiàn)在全世界的高溫超導(dǎo)研究團隊都在進行“賽跑”，為發(fā)現(xiàn)新的高溫超導(dǎo)材料而努力，大家共同的終極理想是室溫超導(dǎo)體。室溫超導(dǎo)體是指材料在室溫時就能處于超導(dǎo)狀態(tài)。目前，最高溫的超導(dǎo)體是科學(xué)家于1986年發(fā)現(xiàn)的銅氧化合物高溫超導(dǎo)體，其轉(zhuǎn)化為超導(dǎo)體的溫度為-113℃，但迄今為止，銅氧化物的超導(dǎo)機理仍然困擾科學(xué)家，同時距離室溫的理想還有很大距離。鐵基化合物作為高溫超導(dǎo)家族的第二個成員，于2008年被發(fā)現(xiàn)，其轉(zhuǎn)變溫度目前最高達到-217℃。封教授進一步解釋說道：“自2008年到現(xiàn)在，鐵基超導(dǎo)的轉(zhuǎn)變溫度一直沒有提高，而我們的新結(jié)果表明，這一類的鐵基超導(dǎo)并不是原來的配對機制，從新的配對機制出發(fā)，有可能在理論上預(yù)言一些新的材料，對于進一步尋找更高的鐵基高溫超導(dǎo)提供了一絲新的曙光?！?/p>

實驗結(jié)果能夠獲得新突破離不開這支年輕團隊的自我進化?！拔覀兊脑O(shè)備許多都是自己設(shè)計，自己搭建的。否則不可能超過別人?！币贿厖⒂^復(fù)旦大學(xué)先進的超導(dǎo)研究實驗室，封東來教授一邊答疑解惑?！肮馐蔷S持一臺設(shè)備就需要2到3人為一組來進行。實驗室運轉(zhuǎn)經(jīng)常處于24小時連軸轉(zhuǎn)。而分析一份實驗樣品通常都需要花費大約100小時的實驗時間。而且我們的實驗樣本也早已不局限于國內(nèi)，也有比如來自韓國的團隊，以及世界各地其他實驗室的委托。”

作為基礎(chǔ)學(xué)科研究，或許其中的理論復(fù)雜，難以向諸如大飛機、磁懸浮、“嫦娥”奔月等“接足地氣”。但正是基礎(chǔ)學(xué)科的發(fā)展，才能讓建筑其上的理論、成果、技術(shù)轉(zhuǎn)化變?yōu)楝F(xiàn)實。封東來教授坦言，這一切也離不開國家的支持。

完善人才培養(yǎng)　緊跟時代步伐

雖然手握中國青年科技獎等多項榮譽，這位不到30歲就被聘為復(fù)旦大學(xué)物理系教授、博導(dǎo)，如今剛剛跨越不惑之年的科學(xué)家卻表示：“學(xué)生是我最寶貴的產(chǎn)出，而不是論文?！?/p>

談起學(xué)生，封東來教授的自豪之情溢于言表。尤其是談到團隊的第二獲獎人—張焱，這位出身北大物理學(xué)院的人才，博士畢業(yè)才剛兩年，卻在項目研究中作出了不可小覷的貢獻。封東來教授的團隊總是有這樣那樣的人才離開，有來自海內(nèi)外的新鮮血液流入；有的是去其他學(xué)校做老師，有的是去海外學(xué)府繼續(xù)深造。與那些希望把有能者捆綁在身邊的作法不同，封東來教授似乎更樂于見到知識和人才的流動，他說：“優(yōu)秀的年輕人不該放在身邊，而是要讓他們出去走走，為他們提供更多機會?！闭劦阶约涸诮虒W(xué)，在做項目時的態(tài)度和方針，他面帶微笑地說道：“我并不嚴(yán)厲，只是為他們提供機會，讓他們自己成長。作為教師，就算面對的學(xué)生不是最最優(yōu)秀的，只要我們的教導(dǎo)能對他們的人生產(chǎn)生影響，我就很欣慰?！?/p>

傳道授業(yè)解惑，教育育人永遠是一個國家科技和知識發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。少年智則國智，面對目前中國的教育環(huán)境，封東來教授也很樂觀地表示：“現(xiàn)在中國的超級博士后培養(yǎng)也發(fā)展起來了。例如復(fù)旦大學(xué)的實驗室就在人才培養(yǎng)方面給予了很大的支持，這是一個互利共贏的雙向推進，在保證了優(yōu)秀人才建設(shè)的同時對研究實力也大大增強了。我們甚至吸引到了世界各地的學(xué)生。而當(dāng)國內(nèi)的博士們都更愿意留在祖國的時候，中國的科研綜合實力就會大大上升。”他的眼睛里閃爍著期待的光芒，“我想這一天，不會太遠”。

一場學(xué)術(shù)界的暴風(fēng)雨就是從東方之珠的上海，從它的復(fù)旦大學(xué)校園中吹向世界。隨著中國未來對于科學(xué)研究以及科學(xué)教育方面更深入的改革，為科學(xué)創(chuàng)新工作提供良好的土壤。我們有理由相信，封東來教授和他的團隊將會為超導(dǎo)的世界帶去更多意想不到的驚喜和發(fā)現(xiàn)。我們也由衷地希望，在世界科學(xué)之林，會有更多“暴風(fēng)雨”般的中國科研團隊嶄露頭角。

創(chuàng)新·產(chǎn)業(yè)