原子尺度上解密高溫超導(dǎo)體

汲曉奇

在2014年1月10日國(guó)家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)上，多年空缺的國(guó)家自然科學(xué)一等獎(jiǎng)被鐵基超導(dǎo)研究團(tuán)隊(duì)獲得，一時(shí)間“鐵基高溫超導(dǎo)”一詞再次被人們所關(guān)注。

殊不知，早在2008年凝聚態(tài)物理學(xué)領(lǐng)域掀起鐵基高溫超導(dǎo)研究熱潮后的次年，宋燦立就在薛其坤院士的指導(dǎo)下開(kāi)展鐵基超導(dǎo)體FeSe高質(zhì)量薄膜分子束外延（MBE）生長(zhǎng)的探索，并于2011年作為第一作者在《Science》上發(fā)表了有關(guān)鐵基超導(dǎo)FeSe研究的論文“Direct Observation of Nodes and Twofold Symmetry in FeSe Superconductor（鐵硒超導(dǎo)體中能隙節(jié)點(diǎn)和二重對(duì)稱性的直接觀測(cè)）”。這是我國(guó)科學(xué)家首次在《Science》雜志上發(fā)布這個(gè)領(lǐng)域的研究成果，同時(shí)還入選2011年“中國(guó)百篇最具影響國(guó)際學(xué)術(shù)論文”和“中國(guó)高等學(xué)校十大科技進(jìn)展”。

發(fā)展至今，高溫超導(dǎo)仍然是凝聚態(tài)物理基礎(chǔ)研究的前沿科學(xué)之一，不斷吸引著世界上諸多優(yōu)秀科學(xué)家的目光。在已發(fā)現(xiàn)的10種左右鐵基超導(dǎo)體系中，有4種是由我國(guó)科學(xué)家獨(dú)立發(fā)現(xiàn)。更難能可貴的是，在其物性和機(jī)理研究中，我國(guó)更是做出了許多世界一流成果。

勇登高峰 零的突破

1911年，在荷蘭萊頓實(shí)驗(yàn)室里，昂尼斯等人利用液氦把金屬汞降溫到4.2 K（零下269攝氏度）時(shí)，意外地發(fā)現(xiàn)其電阻值突然降到儀器測(cè)量范圍的最小值之下，可認(rèn)為電阻為零。于是他們把此狀態(tài)下的金屬叫做超導(dǎo)體，寓意“超級(jí)”。

低溫環(huán)境是超導(dǎo)體發(fā)揮“特效”的關(guān)鍵因素，但低溫往往需要依賴昂貴的液氦來(lái)維持，無(wú)形中極大增加了超導(dǎo)體的應(yīng)用成本。于是在此后的數(shù)年中，致力發(fā)現(xiàn)具有高轉(zhuǎn)變溫度的超導(dǎo)體甚至“室溫超導(dǎo)體”便成為科學(xué)家不懈的追求。

直到上世紀(jì)80年代，銅氧化物超導(dǎo)體因具有液氮溫度以上的超導(dǎo)臨界溫度脫穎而出，成為超導(dǎo)家族中的“高溫超導(dǎo)體”。但令人頗感失望的是，人們發(fā)現(xiàn)銅氧化物高溫超導(dǎo)體因?yàn)槠浔举|(zhì)為陶瓷材料，在力學(xué)性能上顯得脆弱不堪，且缺乏柔韌性和延展性；在物理性質(zhì)上其臨界電流密度又太小，容易在承載大電流時(shí)失去超導(dǎo)電性而迅速發(fā)熱，因此難以大規(guī)模應(yīng)用。

2008年2月23日，日本東京工業(yè)大學(xué)細(xì)野秀雄教授團(tuán)隊(duì)宣布，在氟摻雜的“鑭-鐵-砷-氧”體系中存在26K超導(dǎo)電性。此后，“鐵基超導(dǎo)體”無(wú)疑打開(kāi)了一扇窗。由于其金屬性，更加容易被加工成線材和帶材；其可承載的上臨界磁場(chǎng)/臨界電流與銅基超導(dǎo)體相當(dāng)，甚至有可能更優(yōu)越。

得知此消息后，我國(guó)科學(xué)家迅速展開(kāi)了鐵基超導(dǎo)體體材料的物性研究。宋燦立在薛其坤院士的指導(dǎo)下開(kāi)始研制如何制備鐵基超導(dǎo)體薄膜。他們希望從不同的思路探索高溫超導(dǎo)體的機(jī)理問(wèn)題，同時(shí)可以為鐵基超導(dǎo)材料的最終應(yīng)用奠定材料基礎(chǔ)。然而，科研之路永遠(yuǎn)不會(huì)一帆風(fēng)順，盡管宋燦立他們選擇了鐵基超導(dǎo)體中結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的FeSe做為研究目標(biāo)，但由于Fe和Se合金相圖的復(fù)雜性，他們所制備的薄膜一直都是絕緣的，沒(méi)有任何超導(dǎo)的跡象。

“數(shù)個(gè)月沒(méi)有結(jié)果”，宋燦立失望過(guò)、苦惱過(guò)，但他終沒(méi)有放棄。一天傍晚，他照常在實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)，苦苦期盼或許早已成為常態(tài)，但就在凌晨時(shí)分，他采到了第一個(gè)具有超導(dǎo)能隙的掃描隧道譜——“我們成功了！”這意味著高質(zhì)量超導(dǎo)FeSe薄膜就此誕生，要知道這比2014年高質(zhì)量FeSe單晶的獲得整整早了5年。

研究鐵基超導(dǎo)體，宋燦立和他們團(tuán)隊(duì)的創(chuàng)新之處在于將分子束外延技術(shù)（Molecular Beam Epitaxy，MBE）與掃描隧道顯微鏡（Scanning Tunneling Microscope，STM）進(jìn)行了有機(jī)的結(jié)合，他們把半導(dǎo)體領(lǐng)域中的分子束外延技術(shù)拓展到鐵基超導(dǎo)材料的制備中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)超導(dǎo)薄膜生長(zhǎng)過(guò)程和形貌原子水平上的精確控制，制備出了化學(xué)成分嚴(yán)格可控的高質(zhì)量單晶FeSe薄膜；在此基礎(chǔ)上，他們利用同時(shí)具有空間原子分辨和高能量分辨本領(lǐng)的強(qiáng)磁場(chǎng)掃描隧道顯微技術(shù)對(duì)薄膜進(jìn)行了原位的表征，這在國(guó)際上形成了獨(dú)特的研究特色。

那時(shí)，距宋燦立獲得博士學(xué)位才僅僅過(guò)去了6個(gè)月。在《Science》上初試牛刀的他隨后成功申請(qǐng)到了哈佛大學(xué)物理系的Lawrence Golub Fellowship。據(jù)悉，該Fellowship評(píng)審委員會(huì)那年共收到來(lái)自全球的233個(gè)申請(qǐng)，最后只有兩位申請(qǐng)者獲得了機(jī)會(huì)，宋燦立就是其中的一位。

兩種思路 探索機(jī)理

眾所周知，銅氧化物高溫超導(dǎo)體的超導(dǎo)機(jī)理是近30年來(lái)凝聚態(tài)物理的一個(gè)重大科學(xué)難題。已有研究證明，對(duì)于傳統(tǒng)的超導(dǎo)體（如Pb），通過(guò)電子聲子相互作用導(dǎo)致費(fèi)米面附近電子兩兩配對(duì)（庫(kù)珀對(duì)），從而實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)凝聚。隧道譜測(cè)量可以給出直接證明，導(dǎo)致超導(dǎo)配對(duì)的聲子會(huì)在隧道電流的二階導(dǎo)數(shù)（d2I/dV2）譜超導(dǎo)能隙之外變現(xiàn)為明顯的低谷和峰的結(jié)構(gòu)。而對(duì)于銅氧化物和新近發(fā)現(xiàn)的鐵基高溫超導(dǎo)體，多數(shù)人認(rèn)為它們具有與傳統(tǒng)超導(dǎo)體不同的配對(duì)機(jī)制——其電子配對(duì)媒介可能是其它的集體激發(fā)或者波色子（如自旋漲落）。據(jù)宋燦立介紹，目前這樣的波色子已經(jīng)在銅氧化物和鐵砷基高溫超導(dǎo)體中被掃描隧道譜所觀察到。后來(lái)，他延續(xù)了對(duì)FeSe單晶薄膜的超導(dǎo)性質(zhì)研究，通過(guò)高分辨掃描隧道顯微譜技術(shù)發(fā)現(xiàn)，在FeSe薄膜中超導(dǎo)能隙之外同樣存在波色子激發(fā)，還進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)該激發(fā)能量與超導(dǎo)能隙大小存在正關(guān)聯(lián)關(guān)系?！拔覀兊难芯繉?duì)理解高溫銅氧化物和鐵基超導(dǎo)體中電子-波色子相互作用有重要意義！”

2014年9月，宋燦立加入清華大學(xué)物理系薛其坤研究團(tuán)隊(duì)繼續(xù)進(jìn)行高溫超導(dǎo)體的研究，致力于發(fā)現(xiàn)高溫超導(dǎo)體的電子配對(duì)機(jī)理以及發(fā)現(xiàn)具有更高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的超導(dǎo)體系。區(qū)別于MBE自下而上生長(zhǎng)的制備方法，宋燦立他們又換了一種新思路——用外力打擊原子表面，使其自上而下層層撥開(kāi)從而得到不同組成高溫銅氧化物超導(dǎo)體的每個(gè)原子層。于是，他和馬旭村、薛其坤導(dǎo)師共同指導(dǎo)清華大學(xué)物理系低維量子物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的博士研究生，利用氬離子轟擊和臭氧氣氛下退火技術(shù)，首次成功制備出了組Bi2Sr2CaCu2O8+x（Bi-2212） 超導(dǎo)體的所有氧化物原子層（BiO、SrO和CuO2）。在此基礎(chǔ)上，他們利用原位的低溫掃描隧道顯微鏡/譜系統(tǒng)地研究了它們各自的電子結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在BiO表面上觀察到的贗能隙起源于BiO本身，而與CuO2原子層超導(dǎo)或超導(dǎo)電性無(wú)關(guān)。SrO原子層在費(fèi)米能級(jí)附近存在范霍夫奇點(diǎn)，表現(xiàn)為金屬性，是電荷庫(kù)層，而超導(dǎo)能隙僅僅存在于CuO2層。

該研究成果以“Mapping the electronic structure of each ingredient oxide layer of high-Tc cuprate superconductor Bi2Sr2CaCu2O8+”為題發(fā)表在2015年12月2日的Physical Review Letters上。這項(xiàng)工作對(duì)贗能隙的存在提出了嚴(yán)重的挑戰(zhàn)，如果所述結(jié)果在其它銅氧化物高溫超導(dǎo)體中得到進(jìn)一步證實(shí)，無(wú)疑將會(huì)對(duì)高溫超導(dǎo)機(jī)理的解決起到重要的推動(dòng)作用。

一心為國(guó) 砥礪前行

宋燦立辦公室的書(shū)桌上擺放著一張他女兒的照片，提到不滿4歲的女兒，宋燦立的臉上洋溢著幸福。對(duì)于今天來(lái)之不易的美好生活，宋燦立說(shuō)很感謝國(guó)家。

然而，感激不是說(shuō)說(shuō)而已，宋燦立用自己的實(shí)際行動(dòng)表達(dá)了一腔熱血——回國(guó)并加入清華大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)，而此番行動(dòng)所付出的機(jī)會(huì)成本是優(yōu)厚的待遇和生活條件。新型材料的科研工作無(wú)疑是在“啃硬骨頭”，在他看來(lái)，“科研本來(lái)就是挫折”，因?yàn)樽隹蒲胁幌裾n堂上老師講課，現(xiàn)成的知識(shí)，探索就是一個(gè)不斷經(jīng)歷失敗而最終成功升華的過(guò)程。然而困難常有，如何調(diào)整心態(tài)戰(zhàn)勝它就成了關(guān)乎成敗的重要因素。還記得在宋燦立念博士期間，經(jīng)常是一個(gè)課題做了很長(zhǎng)時(shí)間也無(wú)結(jié)果，困苦的他便出去跑了幾圈，回來(lái)又接著做，“還是自己調(diào)節(jié)”。

除了做好自己，宋燦立還總說(shuō)，“攻克難題是我們肩負(fù)的責(zé)任！”他口中的“我們”，指的就是“低維量子物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”團(tuán)隊(duì)。常言道，獨(dú)木不成林，在這個(gè)大集體中，每一位優(yōu)秀的份子都貢獻(xiàn)著自己的全部力量，大家總是有困難一齊上，一起討論、分析、做實(shí)驗(yàn)……在這里，總會(huì)上演“1+1>2”的效果。

科研不是一蹴而就，攻堅(jiān)需要時(shí)間的見(jiàn)證，“短時(shí)間內(nèi)看不到成果，但長(zhǎng)時(shí)間后一定會(huì)有收獲”，現(xiàn)在的宋燦立感覺(jué)“自己狀態(tài)很好”，對(duì)未來(lái)十分有信心。他也給自己設(shè)立了一個(gè)“10年”的目標(biāo)，在期限內(nèi)希望做出真正有突破的科研成果。

宋燦立說(shuō)，他從小到大一直很保守，總喜歡一步步腳踏實(shí)地地往前走。如今回首望去，留下的是一串串閃光的腳印。我國(guó)原子彈之父錢(qián)三強(qiáng)院士曾說(shuō)過(guò)：古往今來(lái)，能成就事業(yè)，對(duì)人類有作為的，無(wú)一不是腳踏實(shí)地攀登的結(jié)果。未來(lái)的宋燦立，會(huì)走得更加堅(jiān)定與夯實(shí)，翻越更多的科研高峰。endprint