周興江：做尖端儀器 探超導(dǎo)奧秘

王輝

2016年1月8日，國(guó)家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)于人民大會(huì)堂隆重召開。中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究員，超導(dǎo)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任周興江領(lǐng)銜完成的“真空紫外激光角分辨光電子能譜系統(tǒng)研制和相關(guān)科學(xué)問題研究”被授予國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

此時(shí)，距離他自主研制出國(guó)際上第一臺(tái)超高能量分辨率真空紫外激光角分辨光電子能譜儀，已經(jīng)過去了近十年。“這是目前國(guó)際上采用真空紫外激光作為光源的第一臺(tái)角分辨光電子能譜儀，該項(xiàng)目的實(shí)施是我國(guó)自主研發(fā)高精尖儀器的一個(gè)成功范例，為科研創(chuàng)新的可持續(xù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，屬于源頭創(chuàng)新工作?！碑?dāng)年的驗(yàn)收意見猶在耳邊，周興江卻早已走出“第一臺(tái)”的光環(huán)，在利用真空紫外激光研制光電子能譜的道路上連創(chuàng)佳績(jī)?！艾F(xiàn)在，我們的第四臺(tái)設(shè)備也快完成了?！敝芘d江說。

“優(yōu)于1meV”不再是夢(mèng)

角分辨光電子能譜，是研究材料電子結(jié)構(gòu)的最直接和最有力的手段，在高溫超導(dǎo)體研究和其它先進(jìn)材料的電子結(jié)構(gòu)研究中發(fā)揮著重要作用，能夠?yàn)橄嚓P(guān)物理研究提供許多關(guān)鍵信息。從1997年開始，周興江就在美國(guó)斯坦福大學(xué)和勞侖斯Berkeley國(guó)家實(shí)驗(yàn)室從事角分辨光電子能譜研究了，不過，那時(shí)候，他的研究是采用同步輻射——一種產(chǎn)生光的大科學(xué)裝置。

“我們做角分辨光電子能譜，一個(gè)最關(guān)鍵的性能指標(biāo)就是能量分辨率。能量分辨率越高，觀察到的結(jié)果越能反映材料本征的性質(zhì)?！敝芘d江說。一直以來，采用同步輻射普遍能達(dá)到的工作能量分辨率為10meV左右，而它夢(mèng)想要達(dá)到的指標(biāo)則是1meV。美國(guó)一國(guó)家實(shí)驗(yàn)室曾投入大量資源研發(fā)，但“1meV”的夢(mèng)想始終遙不可及。

而傳統(tǒng)的同步輻射光源或氣體放電光源還存在一個(gè)長(zhǎng)期困擾光電子能譜的問題——也就是所測(cè)量的光電子只來自樣品表面5?10埃的深度，可對(duì)于眾多的先進(jìn)材料而言，僅來自表面一兩個(gè)原子層的電子能否反應(yīng)材料的體性質(zhì)？這也是令許多科學(xué)家疑慮和試圖解決的問題。

“我就想能不能換激光光源來試試?！笔聦?shí)上，周興江并不是第一個(gè)起念另辟蹊徑的人，但在21世紀(jì)初，能用于光電子能譜的激光技術(shù)尚不成熟，這些念頭一直被擱淺。怎么才能找到合適的激光光源呢？在周興江做文獻(xiàn)調(diào)研之際，一篇文章令他眼前一亮?！拔恼吕锾岬郊す獾哪承┬阅?，與我想象中做角分辨光電子能譜對(duì)光源的要求非常符合，而且其中有兩位作者是中國(guó)人?！奔?dòng)過后，周興江開始與國(guó)內(nèi)聯(lián)系，希望能找到這兩位作者。不久，他的導(dǎo)師趙忠賢院士給了他肯定的答復(fù)。原來，周興江所感興趣的KBBF晶體由陳創(chuàng)天院士研究組發(fā)明，而棱鏡耦合技術(shù)則是陳創(chuàng)天院士與許祖彥院士共同發(fā)明。

“當(dāng)時(shí)國(guó)際上已經(jīng)有很多著名的角分辨光電子能譜實(shí)驗(yàn)組，國(guó)內(nèi)卻還沒有高分辨的角分辨光電子能譜設(shè)備。我希望能夠在國(guó)內(nèi)建一臺(tái)角分辨光電子能譜儀，既要具有先進(jìn)性，又要有獨(dú)特性，能夠具備與國(guó)際最好水平的設(shè)備去競(jìng)爭(zhēng)的能力?！睉阎@樣的理想回國(guó)后，2004年年底，周興江與陳創(chuàng)天院士、許祖彥院士研究組合作，聯(lián)合申請(qǐng)了中國(guó)科學(xué)院科研設(shè)備研制和改造項(xiàng)目，正式開啟了“紫外激光角分辨光電子能譜儀研制”，采用的恰是KBBF晶體及其耦合技術(shù)產(chǎn)生的真空紫外激光。

真空紫外激光角分辨光電子能譜系統(tǒng)的最佳能量分辨率可達(dá)到0.36meV，遠(yuǎn)好于目前同步輻射普遍能達(dá)到的工作能量分辨率，從而實(shí)現(xiàn)了角分辨光電子能譜技術(shù)長(zhǎng)期追求的超高能量分辨率優(yōu)于1meV的夢(mèng)想?！岸?，我們利用的真空紫外激光的光束流強(qiáng)度，比同步輻射能強(qiáng)一百倍到一千倍。”這意味著，新的光電子能譜系統(tǒng)不僅可以大大提高測(cè)量效率，也能獲得更高質(zhì)量的測(cè)量數(shù)據(jù)，為揭示電子結(jié)構(gòu)的一些精細(xì)結(jié)構(gòu)提供了可能。同時(shí)，能譜儀系統(tǒng)采用真空紫外激光后，動(dòng)量分辨率比采用同步輻射要提高近3倍，又克服了長(zhǎng)期困擾光電子能譜技術(shù)的對(duì)表面的極端敏感性，把現(xiàn)有的角分辨光電子能譜技術(shù)提高到了一個(gè)全新的層次。

2006年11月23日，經(jīng)歷了兩年半的攻關(guān)后，周興江團(tuán)隊(duì)第一次看到了他們的成果——從真空紫外激光角分辨光電子能譜儀上獲得的第一組數(shù)據(jù)。12月28日，中科院組織對(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行技術(shù)成果鑒定，鑒定委員會(huì)一致認(rèn)為：“該真空紫外激光高分辨角分辨光電子能譜儀為國(guó)際首創(chuàng)，主要技術(shù)指標(biāo)國(guó)際領(lǐng)先。”

“我們的方法并非十全十美，但在幾個(gè)關(guān)鍵的性能上都遠(yuǎn)優(yōu)于同步輻射。更重要的是，同步輻射產(chǎn)生一條光束線需要五六百萬美元，而我們的真空紫外激光光源只要兩三百萬人民幣，成本大大降低?！敝芘d江補(bǔ)充道。

挑戰(zhàn)高溫超導(dǎo)

高溫超導(dǎo)體的超導(dǎo)機(jī)理研究，是凝聚態(tài)物理學(xué)領(lǐng)域中公認(rèn)的最為突出也最具挑戰(zhàn)性的物理問題之一。自1986年銅氧化物高溫超導(dǎo)體發(fā)現(xiàn)以來，參與研究的科研工作者不乏少數(shù)，但其超導(dǎo)機(jī)理仍然困惑著大多數(shù)人。2008年鐵基高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)，為高溫超導(dǎo)機(jī)理研究帶來了新的問題和挑戰(zhàn)，同時(shí)也提出了許多新的觀點(diǎn)和研究方向。在高溫超導(dǎo)體研究領(lǐng)域里，電子結(jié)構(gòu)的研究是理解材料的宏觀物理性質(zhì)尤其是超導(dǎo)電性的關(guān)鍵，而周興江采用的角分辨光電子能譜技術(shù)，則是當(dāng)代研究凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)的最重要的實(shí)驗(yàn)手段之一，作為唯一能對(duì)材料電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行直接測(cè)量的最有力的工具，在高溫超導(dǎo)體的機(jī)理研究中無疑是發(fā)揮著舉足輕重的作用。

“在所有材料里都存在很多電子。電子用一種方式排列，也許是絕緣體，但換一種方式排列就可能是導(dǎo)體或者超導(dǎo)體。也就是說電子排列方式的不同，會(huì)導(dǎo)致材料性能的不同?！敝芘d江說。高溫超導(dǎo)體的奇異物性就與電子和電子之間的強(qiáng)關(guān)聯(lián)作用以及電子電荷、自旋和晶格的相互作用有關(guān)?！拔覀兊脑O(shè)備可以直接探測(cè)材料內(nèi)部電子的排列，探測(cè)和分離這些多體之間的相互作用，更好地研究高溫超導(dǎo)電性機(jī)理?！彪S著實(shí)驗(yàn)精度的不斷改善，角分辨光電子能譜已經(jīng)從傳統(tǒng)的能帶測(cè)量工具，逐漸發(fā)展成為研究材料中多體效應(yīng)的重要手段。

周興江研究團(tuán)隊(duì)，利用研制的系列尖端儀器超高分辨率的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，瞄準(zhǔn)高溫超導(dǎo)機(jī)理這一當(dāng)今凝聚態(tài)物理最重要且最具挑戰(zhàn)性的前沿問題，對(duì)銅氧化物高溫超導(dǎo)體和鐵基超導(dǎo)體的電子結(jié)構(gòu)和超導(dǎo)電性等方面開展了系統(tǒng)研究，取得了一系列開創(chuàng)性成果， 在國(guó)際上引起了廣泛的影響。endprint

他們利用自主研制的真空紫外激光角分辨光電子能譜儀具有的超高分辨率的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，與陳創(chuàng)天研究組、許祖彥研究組、美國(guó)Brookhaven國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Genda Gu博士和日本東京理工大學(xué)的T.Sasagawa博士等學(xué)者合作，在高溫超導(dǎo)體Bi2212中，除了觀測(cè)到70meV的結(jié)構(gòu)外，還在超導(dǎo)狀態(tài)下第一次觀察到115meV和150meV兩個(gè)新的高能量精細(xì)結(jié)構(gòu)，并發(fā)現(xiàn)其與超導(dǎo)電性密切相關(guān)。這兩個(gè)新的結(jié)構(gòu)難以用已有的電子耦合模式（電子—聲子耦合或電子—磁振子耦合）來解釋，這從實(shí)驗(yàn)上表明，在Bi2212高溫超導(dǎo)體中，可能存在一種新的電子耦合方式，新發(fā)現(xiàn)的電子耦合模式為高溫超導(dǎo)的起源研究提供了重要的信息。

對(duì)銅氧化物超導(dǎo)體欠摻雜區(qū)域的研究可以說是理解高溫超導(dǎo)機(jī)理的關(guān)鍵。20多年來，欠摻雜區(qū)域角分辨光電子能譜研究，觀察到的費(fèi)米面形狀一直支持費(fèi)米弧圖像，盡管科研工作者們一直在尋找，但始終沒有發(fā)現(xiàn)費(fèi)米口袋的證據(jù)。周興江及其合作者利用自主研制的真空紫外激光角分辨光電子能譜的超高分辨率的優(yōu)勢(shì)，在實(shí)驗(yàn)上首次直接發(fā)現(xiàn)了費(fèi)米口袋和費(fèi)米弧共存的奇異現(xiàn)象。這項(xiàng)工作，對(duì)理解高溫超導(dǎo)體奇異正常態(tài)的性質(zhì)、檢驗(yàn)和建立新的理論，具有重要的推動(dòng)作用，在超導(dǎo)領(lǐng)域引起了重要反響。

另一方面，周興江團(tuán)隊(duì)還采用角分辨光電子能譜技術(shù)，在國(guó)際上最先報(bào)道了鐵基超導(dǎo)體的各向同性、沒有節(jié)點(diǎn)的能隙結(jié)構(gòu)，為理解鐵基超導(dǎo)體超導(dǎo)機(jī)理、建立鐵基超導(dǎo)理論及時(shí)提供了關(guān)鍵信息。在對(duì)一系列新型鐵基超導(dǎo)體系的研究中，周興江發(fā)現(xiàn)了它們普適的獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)特征——只具有電子型費(fèi)米面，這成為甄別鐵基超導(dǎo)理論的一個(gè)重要實(shí)驗(yàn)依據(jù)，同時(shí)向鐵基超導(dǎo)機(jī)理研究中的一種主流的“費(fèi)米面嵌套理論”提出了挑戰(zhàn)。

“要么第一，要么最好！”

2004年，周興江入選中國(guó)科學(xué)院百人計(jì)劃，回到中科院物理所工作。用他的話說，他是一心想要在國(guó)內(nèi)建設(shè)高水平的角分辨光電子能譜的?！白贤饧す饨欠直婀怆娮幽茏V儀研制”項(xiàng)目籌備時(shí)，物理所在實(shí)驗(yàn)條件緊張的情況下，批給他一間實(shí)驗(yàn)室，又從別的組調(diào)兩位同事來幫他?！拔业谝慌辛?個(gè)學(xué)生，加上所里分派的兩位職工，就這么開始了工作。”

與同步輻射相比，當(dāng)時(shí)國(guó)際上在真空紫外激光角分辨光電子能譜儀研制上還缺乏成熟的經(jīng)驗(yàn)。而作為一種尖端基礎(chǔ)研究的科學(xué)實(shí)驗(yàn)手段，角分辨光電子能譜儀的商用性不是很強(qiáng)?！暗珜?duì)科學(xué)研究來說，又是一個(gè)必需品”，周興江說，“所以只能根據(jù)實(shí)際工作的需要，提出設(shè)計(jì)思路，確定性能指標(biāo)，然后自己動(dòng)手采購零部件進(jìn)行儀器裝置的搭建?！?/p>

從設(shè)計(jì)、安裝到調(diào)試，周興江和他的團(tuán)隊(duì)需要親手完成整個(gè)過程?！盎A(chǔ)研究，只有世界第一，沒有世界第二。我們要么做第一，要么做最好?！敝芘d江回國(guó)時(shí)，國(guó)內(nèi)對(duì)設(shè)備研制的重視程度還不高，科研人員對(duì)此也不甚熱衷?！皬脑O(shè)備開始研制到發(fā)表第一篇文章，四五年的周期是很常見的。但對(duì)一個(gè)研究組來說，四五年不發(fā)表文章，會(huì)很有壓力?！彪m然物理所并不以論文指標(biāo)來對(duì)他的工作進(jìn)行衡量，但周興江的自我要求還是帶給他無形的壓力，這種壓力到2008年準(zhǔn)備發(fā)表第一篇論文時(shí)達(dá)到了頂峰。“尤其是第一篇論文投出去之后，等待評(píng)審意見的過程很是煎熬。等到第二篇論文也發(fā)表后，才開始逐漸有所緩解。”

盡管如此，光電子能譜儀還是以超乎周興江預(yù)期的速度進(jìn)展著。2006年年底，第一臺(tái)真空紫外激光角分辨光電子能譜儀研制成功之后，成為我國(guó)自主研制設(shè)備的典范。以此為突破口，財(cái)政部和中國(guó)科學(xué)院在2008年年初啟動(dòng)了“重大科研裝備自主創(chuàng)新試點(diǎn)”項(xiàng)目“深紫外固態(tài)激光源前沿裝備研制”，第一期準(zhǔn)備完成8臺(tái)設(shè)備2個(gè)中心的目標(biāo)，其中，周興江團(tuán)隊(duì)自主研制的設(shè)備就占了3臺(tái)。

“要完整描述一個(gè)材料的電子狀態(tài)，主要有3個(gè)量——能量、動(dòng)量和自旋。我們的第一臺(tái)設(shè)備，可以測(cè)量能量和動(dòng)量?！敝芘d江介紹說。在這一次的專項(xiàng)中，周興江團(tuán)隊(duì)完善了“超高能量分辨率真空紫外激光角分辨光電子能譜儀”之后，又研發(fā)了“同時(shí)具有自旋分辨和角分辨功能的真空紫外激光光電子能譜儀”，這樣一來，國(guó)際上首次可以利用真空紫外激光來完整測(cè)量能量、動(dòng)量和自旋，大大提升了光電子能譜儀的性能。

他們交上的另一個(gè)作品是“基于飛行時(shí)間能量分析器的真空紫外激光角分辨光電子能譜儀”?！皠?dòng)量是一個(gè)三維物理量，但以前全世界所有的光電子能譜儀測(cè)量動(dòng)量都是進(jìn)行線掃描，我們的設(shè)備可以直接采用面掃描，性能提升的同時(shí)，動(dòng)量測(cè)量效率也提高了兩百倍以上。”

這兩臺(tái)新作也在驗(yàn)收中獲得了優(yōu)秀的評(píng)價(jià)。在此之后，財(cái)政部和中國(guó)科學(xué)院一鼓作氣，又啟動(dòng)了“深紫外固態(tài)激光源重大科研裝備研制”二期項(xiàng)目。在該項(xiàng)目中，周興江準(zhǔn)備完成他的第四臺(tái)設(shè)備?！耙话愕慕欠直婀怆娮幽茏V中，樣品最低溫度通常是10K，但是要進(jìn)行超導(dǎo)研究，就必須將樣品溫度保持在超導(dǎo)溫度之下?，F(xiàn)實(shí)是，很多材料的超導(dǎo)溫度都在10K以下，有的只有2?3K或更低。”面對(duì)這樣的現(xiàn)狀，周興江在第四臺(tái)設(shè)備上的目標(biāo)就是將樣品溫度降到1K以下，同時(shí)，將能量分辨率從1meV進(jìn)一步改善到0.1meV，也就是再提高一個(gè)量級(jí)。隨著項(xiàng)目的進(jìn)展，他的這一目標(biāo)也即將實(shí)現(xiàn)。

2008年，周興江意外地獲得了首屆周光召基金會(huì)“杰出青年基礎(chǔ)科學(xué)獎(jiǎng)”。說“意外”，是因?yàn)樗⒉恢雷约喝雵诉@個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)，也不曾主動(dòng)提供過任何資料。在頒獎(jiǎng)儀式上，周光召先生特別指出，基礎(chǔ)研究原創(chuàng)性成果的產(chǎn)生需要有最先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)手段和獨(dú)特的創(chuàng)新思路?！斑@也是我們當(dāng)初堅(jiān)持自主發(fā)展尖端儀器設(shè)備的初衷。”周興江深有同感。

“事情多做一點(diǎn)，調(diào)子放低一點(diǎn)！”

周興江的研究得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界的高度認(rèn)可。著名凝聚態(tài)物理理論物理學(xué)家、美國(guó)加州大學(xué)教授Chandra Varma曾專程寫信給周興江，盛贊他的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是他見過的最高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，并明確表達(dá)希望可以尋求合作機(jī)會(huì)；除此之外，美國(guó)哈佛大學(xué)Subir Sachdev等教授也紛紛來函，對(duì)周興江研究組的工作給予高度評(píng)價(jià)，并進(jìn)行了深入的科學(xué)問題及可能的合作意向的討論。他本人也成為《科學(xué)儀器評(píng)論》首位來自中國(guó)大陸的編委，獲得2009年度中國(guó)物理學(xué)會(huì)“胡剛復(fù)獎(jiǎng)”。2013年，周興江獲得全球華人物理和天文學(xué)會(huì)“杰出科學(xué)成就獎(jiǎng)”。2015年，他獲得了“第三世界科學(xué)院TWS物理獎(jiǎng)”。該獎(jiǎng)項(xiàng)至今只有9位國(guó)內(nèi)學(xué)者獲獎(jiǎng)，除周興江以外，前8位均為院士，如趙忠賢院士、范海福院士、張杰院士、王恩哥院士、薛其坤院士等。

對(duì)于成功，周興江直言獎(jiǎng)勵(lì)是一柄雙刃劍，“我寧愿多做一點(diǎn)事，調(diào)子適當(dāng)?shù)鸵稽c(diǎn)，萬事不能過度”“為人還是實(shí)在一點(diǎn)好”。在別人看來，12年中推出4臺(tái)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)和國(guó)際領(lǐng)先水平的儀器，絕對(duì)是“大牛”級(jí)別。他卻稱自己和團(tuán)隊(duì)固然努力，還有一種幸運(yùn)是適逢其時(shí)?！皬?993年兩位院士開始做KBBF晶體研究，到2004年剛好開始可以利用。早一點(diǎn)回國(guó)，還不能用；晚一點(diǎn)回國(guó)，也許就被別人用了?！?/p>

不論如何，到現(xiàn)在，周興江的研究組里已經(jīng)有5位職工和20來個(gè)學(xué)生。早已不是當(dāng)初人手捉襟見肘的樣子。“我們討論多次，定下了8個(gè)字作為組訓(xùn)：獨(dú)立、協(xié)作、創(chuàng)新、求精。”他倡導(dǎo)做研究一定要獨(dú)立自主，從制備材料到儀器的設(shè)計(jì)、研制、升級(jí)和維修，再到查閱文獻(xiàn)做科研等，都要能夠游刃有余地掌握。他給予學(xué)生充分的自由和信任，“每個(gè)人都想做好，也都能做好”，周興江說，“要讓學(xué)生真正從內(nèi)心感受科學(xué)，熱愛科學(xué)。”

“我對(duì)待學(xué)生相當(dāng)寬容”，周興江說。他是一個(gè)嚴(yán)格而不嚴(yán)厲的人，面對(duì)學(xué)生，不管是沉迷游戲的，還是在研究的關(guān)鍵時(shí)刻犯錯(cuò)的，他都不會(huì)劈頭蓋臉地批評(píng)人，而是以私下發(fā)郵件等形式讓他們認(rèn)識(shí)到自己的錯(cuò)誤。“不能讓學(xué)生因?yàn)橐淮畏稿e(cuò)就不敢做事了，他們犯錯(cuò)本來就忐忑，我的不批評(píng)反而讓他們印象深刻?！彼a(bǔ)充道。

一直以來，周興江都相信人的潛力是無窮的。就像在去德國(guó)之前不知道什么是拉曼散射，去美國(guó)之前也不懂得什么是角分辨光電子能譜，他自己有著這樣的經(jīng)歷，也不愿去“傷害”學(xué)生的科研熱情。在學(xué)生進(jìn)組之前，他就會(huì)給他們打預(yù)防針，希望他們能做好吃苦和坐冷板凳的準(zhǔn)備，朝著“做最好的研究”努力?？梢坏┻M(jìn)組，不管是研究生，還是前來學(xué)習(xí)、實(shí)習(xí)的其他學(xué)生，他都會(huì)盡己所能地幫助他們。

“2004年，我在美國(guó)的‘老板對(duì)我講，你將來會(huì)和我一樣。我覺得特別不可思議，在美國(guó)時(shí)，基本上一眼能看到自己二三十年后的樣子，能做的事情都被圈定了?？墒腔貒?guó)之后才發(fā)現(xiàn)，給我一個(gè)機(jī)會(huì)，就可能做到當(dāng)初夢(mèng)想不到的事情?！彼嘈牛@些學(xué)生們也一樣。endprint