陳根富：超導(dǎo)領(lǐng)域的執(zhí)著探索者

本刊記者 呂夢遠(yuǎn)

生于魚米之鄉(xiāng)的安徽池州，北上來到干旱半干旱地區(qū)的古都咸陽學(xué)習(xí)材料科學(xué)，之后又遠(yuǎn)赴日本、德國繼續(xù)研習(xí)。在國外學(xué)習(xí)、工作近十年后，他選擇了回國，從頭開始創(chuàng)建實驗室。重費(fèi)米子超導(dǎo)、鐵基超導(dǎo)、有機(jī)超導(dǎo)、其他新型非常規(guī)超導(dǎo)材料探索和物性表征……他十幾年如一日執(zhí)著在超導(dǎo)探索的路上。

一路走來，他已經(jīng)發(fā)表了140余篇SCI論文，他人引用8000余次，也因此被湯森路透評為2014年全球“最具影響力科學(xué)家”、“中國引文桂冠獎——最具國際引文影響力獎”。

他叫陳根富，現(xiàn)在是中國科學(xué)院物理研究所研究員、博士生導(dǎo)師、超導(dǎo)國家重點(diǎn)實驗室SC10研究組長。

北上選擇材料科學(xué)

安徽池州，北臨浩蕩長江、南接雄奇黃山、西與廬山相望，內(nèi)轄九華山。這里，層巒疊嶂、河湖交錯，一派江南水鄉(xiāng)好風(fēng)光；這里底蘊(yùn)深厚、博大精深，是名副其實的魚米之鄉(xiāng)……這些，或許正是上天給予的饋贈。陳根富就出生在池州東南部連綿群山腳下的一個山村，家的周圍有著大片的竹林，從小是呼吸著山中清新的空氣、聞著沁人的竹香長大的。

轉(zhuǎn)眼到了上學(xué)的年齡。通往附近唯一一所小學(xué)最近的路位于山間的夾縫，不僅人煙稀少，而且樹木林立、雜草叢生。徒步走完單程需要一個半小時，每天往返則需3小時。父母忙于田間勞作，根本無暇送孩子上學(xué)。家中沒有鐘表，母親憑著生活經(jīng)驗，每天看著夜空的星星起床為根富簡單地做點(diǎn)飯，然后看著幼子獨(dú)自一人走入黎明前的黑暗中。有過孤獨(dú)與害怕，記不清多少次朝露打濕衣衫，在通向知識的山間小路上，日復(fù)一日、年復(fù)一年，這個瘦弱、淳樸的少年逐漸磨礪得如翠竹般堅韌、頑強(qiáng)。

1991年，陳根富走出大山，考入西北輕工業(yè)學(xué)院。學(xué)院1958年成立于北京，原名北京輕工業(yè)學(xué)院，1970年遷至咸陽，并更名為西北輕工業(yè)學(xué)院（后遷至西安），是中國西部地區(qū)唯一一所以輕工為特色的國家重點(diǎn)院校（2002年更名為陜西科技大學(xué)）。陳根富攻讀的是材料科學(xué)工程專業(yè)。這是一個材料科學(xué)與工程技術(shù)相結(jié)合的新型學(xué)科，將化學(xué)、物理等基礎(chǔ)學(xué)科與材料制備、加工、檢測、應(yīng)用等融為一體。在相對缺水的干旱半干旱城市——咸陽，陳根富度過了4年大學(xué)生涯。之后，他考上研究生繼續(xù)在材料科學(xué)工程系攻讀碩士學(xué)位。

1998年，陳根富獲得日本文部省獎學(xué)金，赴日本名古屋工業(yè)大學(xué)留學(xué)。這一去，就是八年，先后獲得名古屋工業(yè)大學(xué)的碩士和博士學(xué)位，并獲得日本學(xué)術(shù)振興會資助，在名古屋大學(xué)從事博士后研究。名古屋工業(yè)大學(xué)是一所創(chuàng)立于1905年的國立大學(xué)，在全日本的理工科中占有重要地位。導(dǎo)師不僅以身作則、常常加班到凌晨1點(diǎn)，而且對學(xué)生要求也是如此，下班前都要檢查學(xué)生的工作。與此同時，導(dǎo)師非常注重培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立研究能力，直接指導(dǎo)很少，更多的是讓學(xué)生自己廣泛閱讀文獻(xiàn)，提出研究課題和實驗方案，通過大量的實驗、分析數(shù)據(jù)寫出論文。在陳根富設(shè)計好實驗方案、準(zhǔn)備做實驗時，發(fā)生了一個小小的插曲。研究組內(nèi)的一位同學(xué)總是以各種借口，不讓這個遠(yuǎn)道而來的中國青年使用實驗設(shè)備。幾番忍讓之后，陳根富終于忍無可忍，直接找到那位同學(xué)交涉，再不讓用設(shè)備，就要和他決斗。此后那位同學(xué)連續(xù)幾天都沒來實驗室，再見到陳根富時亦是客客氣氣。當(dāng)然，贏得他人尊重靠的不僅是不卑不亢、敢于直面的勇氣和膽魄，更是勤奮好學(xué)、在學(xué)術(shù)上展現(xiàn)的才華。

近20年的探索，陳根富在重費(fèi)米子超導(dǎo)、鐵基超導(dǎo)、有機(jī)超導(dǎo)、其他非常規(guī)超導(dǎo)材料探索和物性表征方面，取得了一系列有重要意義的研究成果：2002年發(fā)現(xiàn)了新重費(fèi)米子超導(dǎo)體Ce2CoIn8，這是自上世紀(jì)70年代末報道重費(fèi)米子超導(dǎo)以來發(fā)現(xiàn)的第三例常壓重費(fèi)米子超導(dǎo)體；2006年發(fā)現(xiàn)了重費(fèi)米子體CeRhIn5常壓下的體超導(dǎo)電性，突破了人們對CeRhIn5的傳統(tǒng)認(rèn)識；2007年年底在國內(nèi)率先開展了鐵砷高溫超導(dǎo)材料的探索合成，并于2008年年初繼日本小組突破之后，獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)臨界溫度超過40K的新鐵基超導(dǎo)體CeFeAsO1-xFx及其他多個超導(dǎo)體系；2012年發(fā)現(xiàn)了常壓下具有最高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的新型有機(jī)超導(dǎo)體Kxdibenzopentacene，在少層石墨烯中實現(xiàn)了超導(dǎo)電性；2013年發(fā)現(xiàn)了系列新型電荷密度波超導(dǎo)體PdxRETen；最近通過實驗首次證明了TaAs為三維外爾半金屬。2009年9月，獲香港求是基金會“杰出科技成就集體獎”。

轉(zhuǎn)折在鐵基高溫超導(dǎo)

2007年9月，陳根富結(jié)束了在德國馬普固體化學(xué)物理所的研究，回國到中國科學(xué)院物理研究所工作，開啟了一個新的征程。

正如大多數(shù)科學(xué)研究都是建立在前人的研究基礎(chǔ)之上，含有Fe元素的超導(dǎo)材料研究亦不例外。20世紀(jì)70年代末，德國W.Jeitschko教授首先發(fā)現(xiàn)了充填式方鈷礦稀土過渡族鐵磷化合物L(fēng)aFe4P12，后來有研究報道在這種材料中觀察到超導(dǎo)現(xiàn)象，其轉(zhuǎn)變溫度為4.1K。上世紀(jì)90年代，W.Jeitschko教授又發(fā)現(xiàn)了LaFePO材料。2006年日本細(xì)野秀雄教授研究組報道了LaFePO的超導(dǎo)電性，其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度為4K。因為這些材料的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度都很低，沒有引起重視。2008年2月18日，細(xì)野秀雄教授研究組發(fā)布新聞，報道LaFeAs(OF)多晶材料具有26K超導(dǎo)電性，這一新聞讓同樣正在鐵砷超導(dǎo)材料研究領(lǐng)域耕耘的陳根富既興奮又焦急。

早在2006年，陳根富在德國馬普學(xué)會固體化學(xué)物理所做訪問學(xué)者時，就對LaFePO材料很感興趣，當(dāng)時所在的研究組正在合成CeFePO、CeRuPO等材料。基于在稀土-過渡族化合物探索方面積累的豐富經(jīng)驗和敏銳洞察力，陳根富認(rèn)為用As取代P，在此類二維層狀鐵砷化合物中可能會出現(xiàn)超導(dǎo)等一些非常規(guī)的物理性質(zhì)。因此2007年9月一回國加入中科院物理所王楠林研究組，他就提出了LaFeAsO、CeFeAsO等材料的研究計劃，一邊購置手套箱、晶體生長爐等設(shè)備建設(shè)材料實驗室，一邊開始了LaFeAsO鐵砷超導(dǎo)材料的探索制備。稀土元素鑭、鈰等容易氧化，砷在空氣中又可能氧化生成砒霜。因為缺乏手套箱等基本設(shè)備，陳根富沒有進(jìn)行LaFeAsO材料的多晶制備，而是從難度更大的單晶生長入手，這需要很長的時間摸索生長條件和工藝。正是在摸索鐵砷單晶生長的過程中，細(xì)野秀雄研究組發(fā)布了LaFeAs(OF)多晶材料具有26K超導(dǎo)電性的新聞。這一新聞既讓陳根富更加堅信自己正在從事的研究課題意義重大，同時也讓他感受到了錯失寶貴先機(jī)的遺憾，當(dāng)然更多的是一場激烈的國際競爭即將隨之而來的緊迫。從此，他開始了每天奮戰(zhàn)20個小時的生活，常常是凌晨一兩點(diǎn)才回家，四五點(diǎn)又回到了實驗室。

由于之前生長鐵砷化合物單晶時積累了不少經(jīng)驗，陳根富很快就在剛調(diào)試好的手套箱上，以一種新的合成工藝制備出高品質(zhì)的LaFeAsO1-xFx超導(dǎo)多晶樣品，與同事們一起迅速測量了樣品的物理性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)該材料具有很高的上臨界場，通過霍爾效應(yīng)測量發(fā)現(xiàn)了該系統(tǒng)為很低濃度的電子型載流子超導(dǎo)體。王楠林研究員用紅外光譜系統(tǒng)測定了超導(dǎo)能隙的大小等。這是在細(xì)野秀雄研究組的突破之后，在國際上開展的第一項鐵基超導(dǎo)體物理特性的研究工作，于2008年3月3日張貼在物理學(xué)家廣泛關(guān)注的arXiv網(wǎng)站，這也是該網(wǎng)站關(guān)于鐵基超導(dǎo)體的第一篇文章，推動了鐵基超導(dǎo)體的研究熱潮。

與此同時，陳根富用稀土元素Ce替代La，進(jìn)行CeFeAsO鐵砷超導(dǎo)材料的合成。得知他正在進(jìn)行這一研究工作，同事不解甚至表示了懷疑。盡管不被看好，但是心中認(rèn)定的事情，沒有什么可以動搖，這個從大山中成長起來的倔強(qiáng)青年越發(fā)卯足了勁，要用實驗結(jié)果來證明自己。2008年3月17日，摻F的CeFeAsO多晶樣品出爐，由于事先預(yù)約的綜合物性測量設(shè)備（PPMS）已被占用，沒能及時進(jìn)行測量。后經(jīng)協(xié)調(diào)騰出了機(jī)時，3月24日清晨得到的測量數(shù)據(jù)確認(rèn)了CeFeAs(OF)為新的高溫超導(dǎo)體，經(jīng)進(jìn)一步系統(tǒng)測量，確認(rèn)超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度為41K，有力地證明了鐵基超導(dǎo)體是繼銅氧化物超導(dǎo)之后又一類非傳統(tǒng)的高溫超導(dǎo)體。這一發(fā)現(xiàn)成為鐵基系統(tǒng)超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度大幅度提高的最重要進(jìn)展之一。隨后他還獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了空穴型超導(dǎo)體(Sr,K)Fe2As2及其他多個超導(dǎo)體系，系統(tǒng)研究了多個鐵砷體系的電子相圖。

在新材料物性的前沿研究中，高品質(zhì)的實驗樣品至關(guān)重要，因為它可以排除其它因素的影響，給出可靠的實驗數(shù)據(jù)，并測出普通樣品看不到的物理性質(zhì)。在激烈的國際競爭中，當(dāng)和競爭對手擁有同等水平的物性測量手段時，實驗樣品的優(yōu)劣在很大程度上決定了成敗。在鐵基超導(dǎo)研究如火如荼的日子里，陳根富不僅要探索新的鐵基超導(dǎo)體，還要為其他超導(dǎo)機(jī)理研究組提供大量高品質(zhì)的實驗樣品，夜以繼日地奮戰(zhàn)在實驗室。當(dāng)時很多國外研究組苦于沒有高品質(zhì)的樣品，做不了實驗，紛紛向物理所請求樣品支援。美國普林斯頓大學(xué)的一位教授在電子郵件中甚至提到請諾貝爾物理學(xué)獎得主P.W.安德森給物理所所長寫信，希望拿到一些鐵基超導(dǎo)單晶樣品。面對國外知名小組的合作邀請，陳根富沒有猶豫，將生長出的國際一流的鐵基超導(dǎo)多晶和單晶樣品，優(yōu)先提供給了國內(nèi)同行，開展角分辨光電子譜、中子散射、核磁共振等超導(dǎo)機(jī)理研究，為中國科學(xué)家在鐵基超導(dǎo)機(jī)理研究方面引領(lǐng)國際前沿做出了不可或缺的重要貢獻(xiàn)。其中，與中科院物理所千人計劃入選者戴鵬程研究員合作，通過中子散射研究LaFeAsO1-xFx的磁結(jié)構(gòu)和磁激發(fā)，論文于2008年6月發(fā)表在《自然》，迄今SCI他引1000余次。與千人計劃入選者丁洪研究員合作，利用角分辨光電子譜，在國際上第一個觀察到鐵基超導(dǎo)體Ba0.6K0.4Fe2As2的超導(dǎo)能隙及其對稱性，被國際同行認(rèn)為是對鐵基超導(dǎo)體的s-波對稱性的建立具有奠基性意義的工作。

2009年9月，陳根富與其他7位研究人員一起獲“求是杰出科技成就集體獎”。這一獎項由香港求是科技基金會設(shè)立，基金會由資深學(xué)者擔(dān)任顧問并全權(quán)負(fù)責(zé)獎項的遴選和審定，顧問中包括多位諾貝爾獎得主。1994年以來的20年里，共授予“杰出科技成就集體獎”85位，涉及12個重大科研項目，除鐵基超導(dǎo)外，還有如青蒿素、人工合成牛胰島素等。

躬耕在中國

1998年從西北輕工業(yè)學(xué)院走出去，2007年從德國歸來，出去轉(zhuǎn)了一圈，花了近10年的時間。談到回國，陳根富說：“國外的生活環(huán)境，其實還是很不錯的。尤其在德國，生活很舒適，生態(tài)也很好。從做科研的角度來講，國外的環(huán)境也是相對寬松的，它會給你足夠的時間思考問題，只要你有好的思想，你有興趣去做，你去做就好了。不用考慮一年必須寫幾篇文章，也沒有量化的指標(biāo)來考核。之所以選擇回國，其實很簡單，就是想自己做點(diǎn)事，還有就是想念家鄉(xiāng)的味道”。

剛回國的陳根富，異常忙碌，他要在中國科學(xué)院物理研究所建一個自己的材料實驗室，繼續(xù)自己喜歡的超導(dǎo)研究。每天忙著新分配實驗室的水、電改造；了解各類手套箱、晶體生長爐等設(shè)備的生產(chǎn)廠家信息，挑選所需的型號、技術(shù)參數(shù)；跑五金商店購買各種零部件、小工具……日子過得快樂而又充實。

中國科學(xué)院物理研究所是在國際上享有一定聲譽(yù)的物理學(xué)研究機(jī)構(gòu)，有著悠久的歷史和豐富的成果，以及鼓勵創(chuàng)新的文化氛圍和先進(jìn)的管理理念。在這樣一個大家云集、人才薈萃的地方，陳根富感到有一種無形的力量推著自己不斷努力前行。因為在超導(dǎo)研究領(lǐng)域展現(xiàn)的出眾才華，回國不到一年，陳根富就破格晉升為研究員。又一年后，他獲得2009年度“求是杰出科技成就集體獎”，并入選教育部2009年度“長江學(xué)者獎勵計劃”特聘教授。令人羨慕的成功背后，是多年默默辛勤耕耘的付出和執(zhí)著。

習(xí)慣泡在實驗室的陳根富很少出去放松。他笑稱，自己是個缺乏生活情趣的人，除了工作，幾乎沒有什么其他愛好。每天他到所里第一件事就是去實驗室，有時實驗前的準(zhǔn)備工作一做就是七八個小時，等到所有環(huán)節(jié)都處理好時才發(fā)現(xiàn)，不僅早飯、午飯沒吃，甚至連水都沒喝上一口。他不僅對自己很嚴(yán)格，對學(xué)生也極其嚴(yán)格。家中床頭的計算機(jī)連著實驗室的物性測量系統(tǒng)，即便是在家中，他也實時監(jiān)測著實驗數(shù)據(jù)，指導(dǎo)學(xué)生及時發(fā)現(xiàn)和處理各種問題。

不僅要求學(xué)生養(yǎng)成勤儉節(jié)約的科研習(xí)慣，陳根富自己更是身體力行?；貒蟮乃?，再沒有出過國門，盡管一再有國際會議邀請他去做學(xué)術(shù)報告，有學(xué)者邀請他去合作研究。甚至在國內(nèi)，他也極少出差。不是自己沒有科研經(jīng)費(fèi)，也不是邀請方?jīng)]有贊助旅費(fèi)，而是他更希望將這些錢直接用在實驗研究上。妻子勸他多少去參加一些國際、國內(nèi)學(xué)術(shù)會議，介紹自己的研究成果，他卻不為所動。在他看來，參加學(xué)術(shù)會議，與國內(nèi)外的學(xué)者面對面地交流固然是好，在資訊如此發(fā)達(dá)的今天，通過網(wǎng)絡(luò)和私下交流也能在很大程度上彌補(bǔ)不直接參加會議的缺憾，而且只要你做出了真正有影響的工作，即便不到會上講，整個學(xué)術(shù)圈一樣看得到。

在很多研究人員還沉浸在鐵基超導(dǎo)研究的熱潮中時，陳根富已經(jīng)開始拓展新的研究方向——有機(jī)超導(dǎo)以及其他新型非常規(guī)超導(dǎo)材料的探索?！霸诳茖W(xué)研究上要做出有意義的成果，必須敢于啃別人沒有啃過的骨頭，啃那些難啃的骨頭”，談及研究方向上的這一轉(zhuǎn)變，陳根富如是解釋。

2012年，陳根富研究組通過長期的摸索和不斷地工藝參數(shù)優(yōu)化，最終在稠環(huán)芳香烴二苯并五苯中實現(xiàn)了轉(zhuǎn)變溫度為33K的超導(dǎo)電性。該材料是目前除C60之外超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度最高的有機(jī)超導(dǎo)體。長期從事高溫超導(dǎo)研究的美國斯坦福大學(xué)Steven Kivelson教授看到他們張貼在arXiv的文章后發(fā)來賀信，評價他們的工作“為有機(jī)高溫超導(dǎo)研究打開了一個非常有前途的研究方向”。這一年，他們還采用拓?fù)浠瘜W(xué)法，在少層石墨烯（3-4層）中通過鉀的插層，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)變溫度為5K的超導(dǎo)電性，文章發(fā)表在《美國化學(xué)會志》上。這種轉(zhuǎn)變溫度比塊狀石墨材料中摻鉀（KC8）的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度（Tc～0.39K）高出一個數(shù)量級。2013年，他們發(fā)現(xiàn)了系列新型電荷密度波超導(dǎo)體PdxRETen。

2015年春節(jié)剛過，陳根富在中科院物理所M樓的樓道里偶遇德高望重的于淥院士，于淥院士第一句話就是“祝賀你”，并興致勃勃地向同行的科學(xué)家介紹起陳根富最近在三維外爾半金屬TaAs方面取得的突破性進(jìn)展，稱贊其所做的原創(chuàng)性工作。

從2007年回國至今不過短短數(shù)年，陳根富已經(jīng)從當(dāng)初在重費(fèi)米子超導(dǎo)領(lǐng)域嶄露頭角的年輕人，成長為在鐵基超導(dǎo)、有機(jī)超導(dǎo)以及其他新型非常規(guī)超導(dǎo)研究領(lǐng)域都有影響的知名學(xué)者。前方的路還很長，祝愿他走得更高、更遠(yuǎn)！