打造超導(dǎo)學(xué)術(shù)交流與合作的窗口
——超導(dǎo)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

超導(dǎo)電性是指許多材料在低溫下電阻完全消失的一種物理現(xiàn)象。超導(dǎo)電性的研究一直是凝聚態(tài)物理的重要課題，對基礎(chǔ)理論創(chuàng)新和應(yīng)用技術(shù)發(fā)展兩方面都有著重要的意義。自1911年荷蘭物理學(xué)家Onnes發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)電性以來，已經(jīng)有5次諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予和超導(dǎo)相關(guān)的研究。1986年銅氧化合物超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)，掀起了全球高溫超導(dǎo)研究的熱潮，中科院物理研究所的科學(xué)家在液氮溫區(qū)高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)中做出了杰出的貢獻(xiàn)。在此背景下，1987年，國家計(jì)委批準(zhǔn)在物理所籌建國家超導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室，1991年4月通過驗(yàn)收，之后列入國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室管理系列，并正式面向國內(nèi)外開放。1995年8月，超導(dǎo)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室通過第一次評估，獲B類第一名；2000年5月，實(shí)驗(yàn)室通過第二次評估，被評為優(yōu)秀(A類)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2002年1月，實(shí)驗(yàn)室被人事部、中國科學(xué)院評為“先進(jìn)集體”；2004年12月，實(shí)驗(yàn)室被科技部評為“國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室計(jì)劃先進(jìn)集體”。

實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)任主任為周興江研究員，趙忠賢院士擔(dān)任學(xué)術(shù)委員會主任。實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)著中國科學(xué)院、科技部和自然科學(xué)基金會等部門多個(gè)重大研究項(xiàng)目，已經(jīng)發(fā)展成為具有一定規(guī)模和綜合實(shí)力并具有國際影響力的實(shí)驗(yàn)室。

實(shí)驗(yàn)室研究成果集粹

超導(dǎo)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究涵蓋了前沿基礎(chǔ)研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究兩個(gè)方面。研究方向包括新型超導(dǎo)材料的探索、超導(dǎo)機(jī)理和相關(guān)物理研究，以及薄膜制備和超導(dǎo)薄膜器件應(yīng)用研究等。實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有7個(gè)課題組：非常規(guī)超導(dǎo)體低能激發(fā)和混合態(tài)物理性質(zhì)研究，微納尺度超導(dǎo)體中物理現(xiàn)象的研究，新超導(dǎo)材料探索和相關(guān)機(jī)制研究，超導(dǎo)薄膜材料和器件的物理及應(yīng)用研究，新型超導(dǎo)材料的電子譜學(xué)和光譜學(xué)研究，通過中子散射研究鐵基和銅氧化合物高溫超導(dǎo)體在內(nèi)的強(qiáng)關(guān)聯(lián)材料，利用核磁共振法研究超導(dǎo)功能和機(jī)制。

經(jīng)過多年發(fā)展，現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室在以下研究中取得了巨大的研究成果：

1.在銅氧化物高溫超導(dǎo)中直接觀察到費(fèi)米口袋

實(shí)驗(yàn)室在1986年發(fā)現(xiàn)了銅氧化物高溫超導(dǎo)體，這對凝聚態(tài)物理提出了許多根本性而又極具挑戰(zhàn)性的重要問題。銅氧化合物高溫超導(dǎo)體的母體為反鐵磁絕緣體，隨著載流子的引入，它逐漸演變?yōu)榻饘俸统瑢?dǎo)體。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，在摻入少量載流子的欠摻雜區(qū)域，高溫超導(dǎo)體表現(xiàn)出的一系列奇異的正常態(tài)(超導(dǎo)溫度Tc以上)性質(zhì)，明顯偏離經(jīng)典的金屬理論：朗道費(fèi)米液體理論，一個(gè)尤為奇異的現(xiàn)象是在欠摻雜區(qū)域存在“贗能隙”。在傳統(tǒng)超導(dǎo)體中，超導(dǎo)能隙(打開電子對所需要的能量)只有在材料進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)(Tc以下)才打開，但在銅氧化物高溫超導(dǎo)體的欠摻雜區(qū)域，只要在Tc以上的一定溫度范圍內(nèi)，盡管材料還沒有超導(dǎo)，已經(jīng)有所謂的贗能隙打開。理解欠摻雜區(qū)域的奇異物性，特別是贗能隙的本質(zhì)及其與超導(dǎo)電性的關(guān)系，對理解高溫超導(dǎo)機(jī)理具有關(guān)鍵的作用。

高溫超導(dǎo)體的母體在摻入少量載流子后的欠摻雜區(qū)域，費(fèi)米面應(yīng)具有什么樣的拓?fù)湫螤?？這是理解高溫超導(dǎo)體奇異物性的最基本的問題，也是20多年來在理論和實(shí)驗(yàn)兩方面一直爭議不斷的重要問題。在理論上，不同的理論框架對費(fèi)米面的拓?fù)湫螤罱o出截然不同的預(yù)言。如有的認(rèn)為可能形成大的費(fèi)米面，有的認(rèn)為應(yīng)該形成費(fèi)米弧 (Fermi a r c)，有的則認(rèn)為應(yīng)該形成費(fèi)米口袋(Fermi pocket)。在實(shí)驗(yàn)上，也因不同的實(shí)驗(yàn)方法得到不一致的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如近期的一系列量子振蕩實(shí)驗(yàn)，表明在欠摻雜樣品中可能存在費(fèi)米口袋；而通過角分辨光電子能譜(ARPES)作為對費(fèi)米面進(jìn)行直接測量的實(shí)驗(yàn)手段，得到的結(jié)果則是支持費(fèi)米弧的圖像。

在這樣的背景下，實(shí)驗(yàn)室周興江研究小組，利用超高分辨率的真空紫外激光角分辨光電子能譜，在對銅氧化物高溫超導(dǎo)體的電子結(jié)構(gòu)研究中，取得了重要進(jìn)展。他們在實(shí)驗(yàn)上不僅直接觀察到了費(fèi)米口袋的存在，而且還觀察到費(fèi)米口袋和費(fèi)米弧的共存。該研究結(jié)果對理解高溫超導(dǎo)體奇異正常態(tài)的的性質(zhì)，檢驗(yàn)和建立新的理論，具有重要的推動(dòng)作用。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在2009年11月19日出版的Nature上，在超導(dǎo)領(lǐng)域引起強(qiáng)烈反響，并且，相關(guān)工作還得到了科學(xué)院、基金委和科技部項(xiàng)目的資助。

2.利用比熱手段證明氧化物超導(dǎo)體正常態(tài)存在電子庫柏對

氧化物高溫超導(dǎo)體的配對機(jī)理問題至今仍然是個(gè)未解之謎。對于一般超導(dǎo)體，由于電子的配對和凝聚，超導(dǎo)態(tài)均具有一個(gè)能隙，它很好地保護(hù)超導(dǎo)凝聚態(tài)在有限溫度下的超流特性，從而出現(xiàn)零電阻和抗磁行為。與常規(guī)超導(dǎo)體不同，氧化物超導(dǎo)體，尤其是欠摻雜樣品在遠(yuǎn)高于超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，已經(jīng)出現(xiàn)了被稱作為贗能隙的能隙，但是宏觀超導(dǎo)特性則在一個(gè)較低溫度時(shí)才出現(xiàn)。因此，這就激發(fā)了很多機(jī)理模型的產(chǎn)生。在眾多模型中，一大類把贗能隙與超導(dǎo)隔離開來，認(rèn)為贗能隙只是由于某些有序相，如電荷密度波序，與超導(dǎo)相競爭費(fèi)米面上的態(tài)密度，因此，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變?nèi)匀粷M足1957年Bardeen-Cooper-Schrieffer（BCS）所提出的基本圖像。而與之相對立的圖像則認(rèn)為贗能隙對應(yīng)著與電子配對強(qiáng)度相關(guān)的能量尺度，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度之上有預(yù)配好的庫柏對。由于超流電子濃度太稀薄，因而超導(dǎo)溫度不是由配對強(qiáng)度所決定，而是由于相位剛度(phase stiffness)決定，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變是非BCS型的。此前，部分實(shí)驗(yàn)已經(jīng)指出，在超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度之上，可能存在強(qiáng)的漲落超導(dǎo)電性，如能斯特實(shí)驗(yàn)等。但是，這些有關(guān)超導(dǎo)預(yù)配對的結(jié)論一直沒有得到反映體性質(zhì)的熵守恒實(shí)驗(yàn)的證明。

最近幾年來，實(shí)驗(yàn)室研究人員、物理所SC1小組聞?；⒌热松钊胙芯糠浅Ｒ?guī)超導(dǎo)體的低能準(zhǔn)粒子激發(fā)性質(zhì)。為了完成研究工作，他們堅(jiān)持氧化物高溫超導(dǎo)單晶的制備，獲得了系列摻雜的高質(zhì)量氧化物超導(dǎo)體單晶Bi2Sr2-xLaxCuO6，并開展了系統(tǒng)的研究工作；另外，他們在現(xiàn)有商用儀器基礎(chǔ)上，不斷革新，在克服了諸多技術(shù)問題后，在比熱測量精度和降低系統(tǒng)誤差方面獲得了重要進(jìn)展，達(dá)到了對實(shí)驗(yàn)精度的要求。在這兩個(gè)條件基礎(chǔ)上，他們還在Bi2Sr2-xLaxCuO6單晶上成功測量出與超導(dǎo)相關(guān)的熵的變化，第一次從熵的角度，證明欠摻雜的氧化物超導(dǎo)體不滿足BCS物理圖像：在正常態(tài)已經(jīng)有部分電子庫柏對存在，而超導(dǎo)轉(zhuǎn)變則對應(yīng)相位相干特性的建立。這項(xiàng)研究工作從熵的角度說明，氧化物超導(dǎo)體的超導(dǎo)凝聚過程是非BCS型的。即便正常態(tài)是費(fèi)米弧或者費(fèi)米口袋金屬態(tài)，即所謂的小費(fèi)米面金屬態(tài)，在超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度以下，可能在這些小費(fèi)米面上有超導(dǎo)能隙重新打開，而不能把它簡單看成是一個(gè)BCS型超導(dǎo)相變。

3.研制出國際首臺真空紫外激光角分辨光電子能譜儀

目前光電子能譜采用的光源絕大部分是同步輻射光源，少量采用氣體放電光源。實(shí)驗(yàn)室周興江研究小組和其它研究組合作，采用真空紫外激光作為光源，成功研制了國際上第一臺真空紫外激光角分辨光電子能譜儀。

除此之外，實(shí)驗(yàn)室目前正在展開超導(dǎo)Pb薄膜垂直臨界磁場的量子尺寸效應(yīng)研究。

向建設(shè)國際一流實(shí)驗(yàn)室邁進(jìn)

超導(dǎo)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室是我國超導(dǎo)研究的重要基地，也是國際國內(nèi)超導(dǎo)學(xué)術(shù)合作與交流的重要窗口。實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)著中國科學(xué)院、科技部和自然科學(xué)基金會等部門多個(gè)重大研究項(xiàng)目。目前，實(shí)驗(yàn)室在實(shí)驗(yàn)條件、研究水準(zhǔn)、人才引進(jìn)和培養(yǎng)等各個(gè)層面得到顯著提高，已經(jīng)發(fā)展成為具有一定規(guī)模和綜合實(shí)力并具有國際影響力的實(shí)驗(yàn)室。自成立到現(xiàn)在，超導(dǎo)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在高質(zhì)量超導(dǎo)單晶制備、磁通動(dòng)力學(xué)和機(jī)理問題研究中做出國際水準(zhǔn)的工作。2008年新型鐵基高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)，掀起了高溫超導(dǎo)研究的另一波高潮，超導(dǎo)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在新型鐵基超導(dǎo)材料的發(fā)現(xiàn)以及相關(guān)的物性研究中，做出了舉世矚目的貢獻(xiàn)。

超導(dǎo)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室非常重視人才引進(jìn)、培養(yǎng)和隊(duì)伍建設(shè)，并擁有一支優(yōu)秀的、結(jié)構(gòu)合理的研究隊(duì)伍。目前有研究員16人，其中有中科院院士1人，國家“千人計(jì)劃”2人，中科院“百人計(jì)劃”5人，“國家杰出青年基金”獲得者2人。同時(shí)實(shí)驗(yàn)室更有一批工作在第一線的年輕人和研究生，他們思維活躍，睿智進(jìn)取，給實(shí)驗(yàn)室?guī)砩鷻C(jī)和活力。由超導(dǎo)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的一批優(yōu)秀的年輕人才，目前遍及世界各地的重要科研機(jī)構(gòu)。

超導(dǎo)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室正在進(jìn)一步凝練學(xué)科方向，優(yōu)化人員結(jié)構(gòu)，延攬優(yōu)秀人才，發(fā)展尖端獨(dú)特的實(shí)驗(yàn)研究技術(shù)，努力開展原創(chuàng)性的研究；同時(shí)與國際和國內(nèi)著名的研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行長期、務(wù)實(shí)和富有成效的合作，努力將超導(dǎo)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建成國際一流實(shí)驗(yàn)室，為今后取得新的重大突破奠定基礎(chǔ)。