我的超導(dǎo)夢(mèng)

徐芳芳

超導(dǎo)是指在溫度接近絕對(duì)零度的時(shí)候?qū)щ姴牧系碾娮柃吔?的性質(zhì)。“超導(dǎo)體”是指能進(jìn)行超導(dǎo)傳輸?shù)膶?dǎo)電材料。人類最初發(fā)現(xiàn)物體的超導(dǎo)現(xiàn)象是在1911年，當(dāng)時(shí)荷蘭科學(xué)家?？恕た┝帧ぐ簝?nèi)斯等人發(fā)現(xiàn)，某些材料在極低的溫度下，其電阻完全消失，呈超導(dǎo)狀態(tài)。零電阻和抗磁性是超導(dǎo)體的兩個(gè)重要特性。

100多年來的孜孜以求，人類對(duì)于探索超導(dǎo)奧秘以及實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)體應(yīng)用寄予了無限渴望，這其中也不乏中國(guó)科學(xué)家的身影。中國(guó)科學(xué)院物理研究所副研究員任聰就是一位對(duì)超導(dǎo)體性質(zhì)研究無限癡迷與熱愛的科學(xué)家。從美國(guó)到中國(guó)，他跟隨著發(fā)展中國(guó)超導(dǎo)事業(yè)的初心一路前行，在前輩趟出的超導(dǎo)之路上，不斷創(chuàng)新。

探秘高溫超導(dǎo)機(jī)理

自從100年前發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象以來，科學(xué)家一直尋求提高其超導(dǎo)溫度和性能的辦法。超導(dǎo)體得天獨(dú)厚的特性，使它可能在各種領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。但由于早期的超導(dǎo)體存在于液氦極低溫度條件下，極大地限制了超導(dǎo)材料的應(yīng)用，人們一直在探索高溫超導(dǎo)體。1986年，高溫超導(dǎo)體的研究取得了重大的突破，掀起了以研究金屬氧化物陶瓷材料為對(duì)象，以尋找高臨界溫度超導(dǎo)體為目標(biāo)的“超導(dǎo)熱”。

高溫超導(dǎo)材料的用途非常廣泛，包括大電流應(yīng)用、電子學(xué)應(yīng)用和抗磁性應(yīng)用。大電流應(yīng)用即超導(dǎo)發(fā)電、輸電和儲(chǔ)能；電子學(xué)應(yīng)用包括超導(dǎo)計(jì)算機(jī)、超導(dǎo)天線、超導(dǎo)微波器件等；抗磁性主要應(yīng)用于磁懸浮列車和熱核聚變反應(yīng)堆等。

然而，目前的高溫超導(dǎo)體距離應(yīng)用依舊有很大距離，高溫超導(dǎo)體的原理與奧秘依舊在吸引大量科學(xué)家從事研究，希望能夠?qū)ふ业接袘?yīng)用前景的新材料，以提高其性能。20余年來，人們陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了100余種非金屬以銅氧化合物為基礎(chǔ)的高溫超導(dǎo)材料，大大拓寬了對(duì)凝聚態(tài)物質(zhì)的理解。但是，相關(guān)的高溫超導(dǎo)機(jī)理卻仍是凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的難題之一。

面對(duì)這個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，不僅需要利用各種各樣的測(cè)量和觀察方法以加深對(duì)這種新材料的認(rèn)識(shí)和提高所觀察到的許多不規(guī)則性質(zhì)的準(zhǔn)確性，更重要的是，需要積極地在新合成材料和新的晶體結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)同樣甚至更好的超導(dǎo)電性，對(duì)這些各式各樣的高溫超導(dǎo)電性加以綜合分析，從而在理論上，擴(kuò)大或修正傳統(tǒng)的觀點(diǎn)，建立一個(gè)甚至出發(fā)點(diǎn)完全不同的機(jī)理模型。

任聰介紹：“高溫超導(dǎo)電性自發(fā)現(xiàn)以來一直是凝聚態(tài)物理學(xué)領(lǐng)域的重點(diǎn)研究課題之一，而鐵基超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)為高溫超導(dǎo)電性研究另辟蹊徑，有助于揭示高溫超導(dǎo)機(jī)理。一個(gè)關(guān)鍵而必須解決的問題是鐵基超導(dǎo)體超導(dǎo)能隙的大小和電子對(duì)的配對(duì)對(duì)稱性。點(diǎn)接觸隧道譜和磁穿透深度測(cè)量在研究高溫超導(dǎo)體能隙結(jié)構(gòu)和電子配對(duì)對(duì)稱性方面起了重要的作用?！?/p>

2011年，任聰申請(qǐng)國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“鐵基超導(dǎo)體超導(dǎo)能隙函數(shù)和超流密度研究”，即立足于利用點(diǎn)接觸隧道譜儀和高靈敏微米霍爾探測(cè)儀測(cè)量系列摻雜的鐵基超導(dǎo)體FeAs基和FeSe基高質(zhì)量單晶樣品的Andreev反射譜和下臨界磁場(chǎng)Hc1以及隨溫度的依賴關(guān)系，分析并研究鐵基超導(dǎo)體的能隙結(jié)構(gòu)、能隙大小、超流密度，以及這些參量在摻雜區(qū)的演變規(guī)律，為揭示鐵基超導(dǎo)電性提供有力的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

這是一個(gè)注定充滿挑戰(zhàn)的項(xiàng)目。為此，任聰和團(tuán)隊(duì)也做足了準(zhǔn)備。首先，他們致力于制備本征的超導(dǎo)隧道結(jié)，包括在真空原位理解基礎(chǔ)上，微加工制備超導(dǎo)/正常金屬隧道結(jié)，測(cè)量BaFe1-xNixAs2和KFe2+xSe2單晶的Andreev反射譜，以及反射譜隨溫度、磁場(chǎng)的譜線變化，通過認(rèn)真分析數(shù)據(jù)，根據(jù)一定的理論模型，分析擬合譜線，得到超導(dǎo)能隙的各向異性和大小；超導(dǎo)能隙隨溫度、磁場(chǎng)的演變關(guān)系。

此外，下臨界磁場(chǎng)Hc1等價(jià)于超流密度，這是任聰在該項(xiàng)目研究中的另一個(gè)關(guān)鍵物理參量。此前，他們已經(jīng)開發(fā)出利用高靈敏霍爾探測(cè)儀測(cè)量超導(dǎo)體下臨界磁場(chǎng)的方法。此次，他們繼續(xù)用微霍爾探測(cè)技術(shù)測(cè)量鐵基超導(dǎo)體的下臨界磁場(chǎng)，得到下臨界磁場(chǎng)在c軸方向和ab面方向上的各項(xiàng)異性，即超流密度的各向異性和超流密度絕對(duì)大小，以及這些性質(zhì)對(duì)摻雜的依賴關(guān)系。以期對(duì)此新超導(dǎo)體系的性質(zhì)在整個(gè)摻雜區(qū)有一個(gè)比較全面的認(rèn)識(shí)。

項(xiàng)目的創(chuàng)新之處在于，發(fā)展了半導(dǎo)體二維電子霍爾探測(cè)技術(shù)決定超導(dǎo)體下臨界磁場(chǎng)的方法。下臨界磁場(chǎng)Hc1是超導(dǎo)體的一個(gè)基本參量之一，目前還沒有一個(gè)成熟的技術(shù)精確測(cè)定下臨界磁場(chǎng)。任聰發(fā)展了利用半導(dǎo)體二維電子氣霍爾探測(cè)和交流震動(dòng)ac shaking的技術(shù)精確地決定下臨界磁場(chǎng)。項(xiàng)目的另一個(gè)特色之處在于，利用微加工技術(shù)制備點(diǎn)接觸隧道結(jié)，避免了通常使用的針尖點(diǎn)接觸單晶樣品造成的針尖壓力效應(yīng)。

高壓與超導(dǎo)的“化學(xué)反應(yīng)”

2015年，任聰和團(tuán)隊(duì)再次申請(qǐng)國(guó)家自然科學(xué)基金，其項(xiàng)目為“鐵基超導(dǎo)體高壓隧道譜研究”，這是對(duì)上一國(guó)家自然科學(xué)基金課題的深入與延續(xù)。

任聰說：“壓力作為重要的物態(tài)方程變量，在鐵基超導(dǎo)材料及物性研究中扮演著非常重要的角色。”這一項(xiàng)目致力于探索發(fā)展壓力環(huán)境下的隧道譜儀/微接觸Andreev反射譜儀技術(shù)，并利用高壓隧道譜/Andreev反射譜測(cè)量技術(shù)測(cè)試系列鐵基超導(dǎo)體FeSe-11和KFe2As2-122高質(zhì)量單晶樣品的隧道譜線以及隨溫度、壓力的依賴關(guān)系，分析并研究鐵基超導(dǎo)體的能隙結(jié)構(gòu)、能隙大小以及相關(guān)的低能激發(fā)模式的壓力演變規(guī)律，為揭示鐵基超導(dǎo)電性提供有力的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

此次，項(xiàng)目針對(duì)的是非常規(guī)超導(dǎo)電性，其自發(fā)現(xiàn)以來一直是凝聚態(tài)物理學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究課題之一。顧名思義，非常規(guī)超導(dǎo)電性是指超導(dǎo)電子配對(duì)的機(jī)制不再是以常規(guī)的電子—聲子作用，而更多地傾向于電子與其他的集體激發(fā)的相互作用為配對(duì)媒介。

壓力作為重要的物態(tài)方程變量，在超導(dǎo)材料及物性研究中扮演著非常重要的角色。高壓可以改變物質(zhì)中晶體結(jié)構(gòu)、電子的關(guān)聯(lián)作用及電子與晶格的相互作用，使許多非超導(dǎo)體成為超導(dǎo)體，而超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度Tc也隨著所加壓力而變化多端，呈現(xiàn)出豐富的溫度—壓力相圖。超導(dǎo)體的臨界轉(zhuǎn)變溫度受高壓調(diào)控的現(xiàn)象表明了高壓研究在非常規(guī)超導(dǎo)電性研究中起著關(guān)鍵的作用。

此外，隧道譜儀在當(dāng)今凝聚態(tài)材料物理研究中發(fā)揮著不可替代的作用。超導(dǎo)隧道譜是探測(cè)超導(dǎo)體特殊的電子態(tài)密度形式、超導(dǎo)能隙和可能的電子—玻色子集體激發(fā)模式，對(duì)超導(dǎo)電性的理論研究提供了大量詳實(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持與佐證。然而目前隧道譜儀工作環(huán)境還比較單一，工作模式也是基于常壓環(huán)境下，所得到的均是常壓下超導(dǎo)材料的信息。

“由于針尖式隧道譜和Andreev反射譜均不能在高壓環(huán)境下開展工作，不能得到高壓下超導(dǎo)物質(zhì)相的隧道譜信息，極大限制了隧道譜儀在高壓超導(dǎo)電性研究中的重要性。到目前為止，國(guó)際上所有研究組還沒有拓展壓力下的Andreev反射譜技術(shù)。此外，高精度的掃描隧道譜（STM）也不可能在高壓環(huán)境下工作，而只能發(fā)展平面隧道結(jié)的方法?！比温斦f。

基于以上考慮，任聰及團(tuán)隊(duì)自主獨(dú)立創(chuàng)新，率先提出進(jìn)行高壓超導(dǎo)隧道譜實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)合當(dāng)今先進(jìn)的高壓實(shí)驗(yàn)技術(shù)，發(fā)展高壓環(huán)境下工作的平面結(jié)超導(dǎo)隧道譜和平面微接觸Andreev反射譜實(shí)驗(yàn)技術(shù)，為揭示高壓超導(dǎo)機(jī)理提供第一手可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。同時(shí)，平面的異質(zhì)隧道結(jié)也是真實(shí)的器件構(gòu)型，發(fā)展高壓超導(dǎo)隧道譜的研究也為開發(fā)隧道結(jié)器件在極端條件下的新的應(yīng)用領(lǐng)域提供了可能。

項(xiàng)目研究目標(biāo)涵蓋了典型的電聲作用強(qiáng)耦合元素超導(dǎo)體鉛Pb的高壓隧道譜及高壓聲子譜密度，鐵基超導(dǎo)體FeSe、FeSeTe單晶，Kfe2As2、RbFe2As2。項(xiàng)目的創(chuàng)新之處在于，探索和發(fā)展了壓力相關(guān)的隧道譜技術(shù)方法。任聰及團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地提出利用微加工技術(shù)制備平面結(jié)及平面接觸隧道結(jié)，避免了通常使用的針尖點(diǎn)接觸單晶樣品造成的針尖壓力效應(yīng)，而且平面結(jié)才是壓力環(huán)境中工作的樣品構(gòu)型。他們已經(jīng)在超導(dǎo)體Pb膜上實(shí)驗(yàn)了高壓隧道譜的可行性，而鐵基高壓隧道譜項(xiàng)目正是他們的原創(chuàng)工作，具有國(guó)際創(chuàng)新意義。

堅(jiān)持是成功的唯一途徑

100年超導(dǎo)歷史，科學(xué)家前赴后繼地探索研究，只為能夠?qū)⒅M快應(yīng)用。這是一條充滿艱辛的路，沒有足夠的熱愛與毅力，無法支撐一個(gè)人在這條路上走下去。和許多人一樣，任聰邁進(jìn)這一領(lǐng)域，最初是出于學(xué)生時(shí)代對(duì)物理的熱愛。在科學(xué)史中，那些改變世界的科學(xué)家總是讓他心生崇敬。

1999年，任聰在獲得南京大學(xué)凝聚態(tài)物理專業(yè)博士學(xué)位后，來到美國(guó)布朗大學(xué)從事博士后研究工作，隨后又轉(zhuǎn)戰(zhàn)佛羅里達(dá)州立大學(xué)繼續(xù)從事博士后研究工作。在美國(guó)6年，任聰遇到了對(duì)他科研生涯影響至深的導(dǎo)師Von Molnar教授?！皩?dǎo)師曾任IBM研究部主任28年，退休后來到佛羅里達(dá)州立大學(xué)，他座下的學(xué)生曾有一人獲得過諾貝爾獎(jiǎng)。每年呈送給美國(guó)國(guó)務(wù)院的世界科研進(jìn)展報(bào)告，他是執(zhí)筆人之一?！比温斦f。

彼時(shí)，任聰正在考慮回國(guó)發(fā)展一事，他把自己的想法告訴了導(dǎo)師，并得到了導(dǎo)師的大力支持。當(dāng)時(shí)正值2004年亞特蘭大奧運(yùn)會(huì)舉行之際，導(dǎo)師以中國(guó)的奧運(yùn)金牌數(shù)量為例，向任聰表達(dá)了他對(duì)中國(guó)科研前景的看法：“20年前中國(guó)在奧運(yùn)會(huì)上的金牌數(shù)量只有很少的幾塊，隨后中國(guó)政府把精力投入在體育事業(yè)發(fā)展上，僅僅20年發(fā)展，中國(guó)的金牌數(shù)量就上升至第二名。這說明，政府一旦把眼光放在科研上，中國(guó)的科研事業(yè)也一定會(huì)迅速發(fā)展起來。而我已經(jīng)感覺到，中國(guó)政府已經(jīng)把眼光放在了科研上，現(xiàn)在正是需要人的時(shí)候?，F(xiàn)在只是欠缺人力物力，一旦投入跟上來，中國(guó)的科研前景是不可限量的?！?/p>

導(dǎo)師的一番話，對(duì)任聰?shù)挠绊懼两癃q在。自2005年回國(guó)以來，任聰感受到的祖國(guó)科研事業(yè)的發(fā)展進(jìn)程，驗(yàn)證了當(dāng)年導(dǎo)師的一番話。這是一片大有可為的天地，此時(shí)正是施展抱負(fù)的良機(jī)。在對(duì)超導(dǎo)研究的極大熱情下，任聰回國(guó)十年，干勁十足，生活上的瑣事都可以化繁為簡(jiǎn)，工作幾乎占據(jù)了他生活的全部，為了科研，他始終爭(zhēng)分奪秒。

“在國(guó)際上來說，我國(guó)在材料領(lǐng)域的實(shí)力已經(jīng)跟日本不相上下。這要感謝趙忠賢老師等前輩，他們堅(jiān)持在超導(dǎo)研究領(lǐng)域幾十年，誕生了一批成果，帶出了一批人才。”老一輩的科學(xué)家艱苦卓絕發(fā)展中國(guó)超導(dǎo)事業(yè)的事跡，一直激勵(lì)著任聰。他說：“一件事的成功率如果只有1%，那么做一次的成功率也只有1%，而堅(jiān)持做100次，成功率會(huì)提升到37%。做超導(dǎo)很苦，很多人堅(jiān)持不了，然而成功的秘訣只有堅(jiān)持。趙忠賢老師那一輩超導(dǎo)人，能在國(guó)家沒有基礎(chǔ)的情況下，做到國(guó)際數(shù)一數(shù)二的水平，很不容易。我們應(yīng)該向他們學(xué)習(xí)?！?/p>

任聰說，要堅(jiān)持在超導(dǎo)路上持之以恒地走下去，一是要具備極大的興趣；二是要敢于在困難面前創(chuàng)新求變、大膽探索。在開展“鐵基超導(dǎo)體高壓隧道譜研究”前，國(guó)際上還沒有人想到過要把高壓手段放進(jìn)研究譜型里。任聰問過很多同行，如果他做一個(gè)隧道譜，從事這方面的研究是否可行，得到的答案幾乎都是否定的?！耙粋€(gè)材料做好后，我們總是很小心地想保護(hù)它?，F(xiàn)在施加壓力，不是在破壞它嗎？”然而，任聰并不這么看。他說：“試想一堆沙子輕輕一碰就會(huì)散，而一粒沙就不會(huì)被壓壞。也就是說，把尺寸做小了，就不容易被破壞?！?/p>

有了這個(gè)想法后，任聰馬上付諸實(shí)踐，這才有了今天的國(guó)家自然科學(xué)基金課題。他說：“科研需要不斷去嘗試，僅僅是想或者猶豫，有些發(fā)現(xiàn)就會(huì)被錯(cuò)過。”未來，他希望能夠利用高壓隧道探測(cè)一些超導(dǎo)體的性質(zhì)，同時(shí)，利用高壓技術(shù)提高超導(dǎo)溫度也是他未來工作的一個(gè)方向。

有壓力才有動(dòng)力，有夢(mèng)想才能看見遠(yuǎn)方。超導(dǎo)路雖然艱辛，然而任聰卻用熱情與激情堅(jiān)守著，在風(fēng)雨兼程中收獲喜悅與成功。