追尋高溫超導(dǎo)的秘密

李明麗

2016年是我國“十三五”規(guī)劃的開局之年，為加快推進(jìn)人才發(fā)展體制機(jī)制改革，我國正以更加開放的視野和理念，更大力度地實施國家“千人計劃”。“國以才立，政以才治，業(yè)以才興。”這項海外引智工程無疑給我國科技事業(yè)的發(fā)展帶來了巨大的影響。

“入選‘千人計劃不只是一種待遇、一種身份，更要背上相應(yīng)的責(zé)任?！?016年中組部“千人計劃”青年項目入選者殷志平這樣說。與名師相伴的科研之路

“當(dāng)初出國是為了求學(xué)，既然學(xué)成，歸國是自然的?！闭f話的正是2015年回國的殷志平。他從北京大學(xué)畢業(yè)出國深造到回國，整整10年。

殷志平的本科專業(yè)是物理，畢業(yè)之后，為了追求更尖端的知識來到美國加州大學(xué)戴維斯分校物理系繼續(xù)深造。在這里，他遇到了導(dǎo)師Warren Pickett教授，同時有幸與SergeySavrasov教授緊密合作，接觸到了奇妙的凝聚態(tài)物理學(xué)。

“凝聚態(tài)物理，是以固體物理為基礎(chǔ)的外向延拓，是現(xiàn)代物理最重要的分支學(xué)科之一。當(dāng)前，凝聚態(tài)物理已形成了比固體物理學(xué)更廣泛、更深入的體系，從事凝聚態(tài)研究的人數(shù)在物理學(xué)家中首屈一指，每年發(fā)表的論文數(shù)在物理學(xué)的各個分支中居領(lǐng)先位置?！币笾酒秸f?？梢钥闯觯瑢τ谀蹜B(tài)物理，殷志平興趣滿滿。

抱著這樣的熱情，殷志平先后在美國羅格斯大學(xué)和紐約州立大學(xué)石溪分校從事博士后研究工作，跟隨GabrielKotliar教授等著名科學(xué)家。殷志平求學(xué)期間雖然不在世界頂級名校，但幸運的是，他能一路與名師相伴，并取得了不錯的成績。

在美國羅格斯大學(xué)，殷志平以副研究員的身份工作了4年，他所在的GabrielK0tliar教授組堪稱世界聞名。GabrielKotliar教授是動力學(xué)平均場理論的開山鼻祖之一，是國際上享有盛譽(yù)的明星學(xué)者，曾獲歐洲凝聚態(tài)物理方面的最高獎“歐洲物理獎”（很多此獎的獲得者后來獲得了諾貝爾獎）。在凝聚態(tài)物理方面，Gabriel Kotliar教授組在國際上以基于動力學(xué)平均場理論和密度泛函理論的第一性原理計算研究強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子體系、高溫超導(dǎo)而享有盛名。

“所謂第一性原理，是指根據(jù)原子核和電子互相作用的原理及其基本運動規(guī)律，運用量子力學(xué)原理，從具體材料出發(fā)，經(jīng)過一些近似處理后直接求解薛定諤方程而得到實際材料電子結(jié)構(gòu)的方法?！币笾酒胶唵谓忉尩?。

對于殷志平來說，在這樣的小組中工作是很有壓力的。但沒有壓力就沒有動力，機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存，壓力與動力共生。在Gabriel Kotliar教授組做相關(guān)研究期間，殷志平爭分奪秒地吸取知識，并將其轉(zhuǎn)化為自己的養(yǎng)分。5年間，他的主要研究方向是強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系第一性原理計算，特別是基于動力學(xué)平均場理論和密度泛函理論的第一性原理計算，在強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系和非常規(guī)（高溫）超導(dǎo)體特別是鐵基超導(dǎo)體領(lǐng)域做出了重要貢獻(xiàn)。

自2008年鐵基超導(dǎo)體作為高溫超導(dǎo)體的地位被確立之后，物理和材料學(xué)界掀起了新一輪高溫超導(dǎo)研究熱。另一方面，凝聚態(tài)理論的長足進(jìn)展使科學(xué)家弄清楚了許多材料的物性問題，但是還存在一些疑難問題懸而未決，其中最突出的莫過于強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子體系的問題。

初生牛犢不怕虎。既然要做，就挑最具挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域。殷志平初涉此間，選擇的就是凝聚態(tài)物理中最困難的領(lǐng)域——強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系。他和合作者率先提出了鐵基超導(dǎo)體是一類全新的強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系，并命名此類體系為洪德金屬，繼而進(jìn)一步提出并命名了洪德絕緣體（如LaMnPO體系）?！霸谶@類體系中，洪德定則耦合能J是最重要的控制參數(shù)，區(qū)別于傳統(tǒng)的莫特絕緣體中哈勃U是最重要的控制參數(shù)?！辈粌H如此，殷志平還與合作者第一個發(fā)現(xiàn)了鐵基超導(dǎo)體里很強(qiáng)的磁性性質(zhì)與晶體結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)，并由此發(fā)現(xiàn)砷（硒）原子到鐵原子平面的高度是鐵基超導(dǎo)體里最重要的控制參數(shù)之一。此發(fā)現(xiàn)與后來發(fā)現(xiàn)的鐵基超導(dǎo)體的超導(dǎo)溫度與鐵砷（硒）原子距離或者砷（硒）鐵砷（硒）原子的角度有密切關(guān)系，一脈相承。

在第一性原理計算方面，殷志平與其合作者發(fā)展了從第一性原理計算強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系的自旋動力學(xué)和超導(dǎo)物性的方法與計算程序?；谶@些發(fā)現(xiàn)，殷志平在包括《自然物理》《自然材料》《自然通訊》《物理評論x》《物理評論快報》《美國科學(xué)院院報》等國際一流學(xué)術(shù)期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文近40篇，被世界一流的科學(xué)家引用1400多次，其中兩篇文章引用均超過300次。

這些研究成果也得到了國際同行的廣泛認(rèn)可，殷志平于2013、2015、2016年3次受邀在美國物理學(xué)會年會上做邀請報告，其研究成果多次在世界頂級會議上被他和他的合作者在邀請報告中重點討論。

向著新的目標(biāo)蓄勢待發(fā)

凝聚態(tài)物理最困難的領(lǐng)域是強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系，而材料物理里最具有發(fā)展前景的領(lǐng)域是設(shè)計和發(fā)現(xiàn)新型功能材料，如高溫超導(dǎo)體、磁性材料、光伏材料等。在強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系和新型功能材料領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)新的突破具有很重要的科學(xué)和現(xiàn)實意義。

基于動力學(xué)平均場理論和密度泛函理論的第一性原理計算近些年在凝聚態(tài)物理的強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系和材料物理的新型功能材料中大放異彩。但是，國內(nèi)目前還非常缺乏這方面的一流專家，這方面的研究迫切需要與國際接軌。

在這樣的大背景下，2015年年底，已經(jīng)獨當(dāng)一面的殷志平全職回國，加入北京師范大學(xué)，于2016年入選中組部千人計劃青年項目并獲優(yōu)先支持。談到回國的打算，殷志平躊躇滿志：“我希望能在國內(nèi)推廣和發(fā)展基于動力學(xué)平均場理論和密度泛函理論的第一性原理計算研究，同時希望能夠促進(jìn)國內(nèi)在強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系和新型功能材料領(lǐng)域取得新的突破?！?/p>

言猶在耳，依托千人計劃的支持，殷志平成立了自己的研究組?！霸趪业闹С窒?，研究組的經(jīng)費充足，研究條件也很好，包括建設(shè)了一套最前沿的高性能計算集群。”殷志平解釋說，之所以配備如此先進(jìn)的計算集群是因為強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系是復(fù)雜的多體問題，而第一性原理的多體理論計算需要強(qiáng)大的計算資源，國內(nèi)的超算中心無法滿足團(tuán)隊的計算需求。

隨后，殷志平申請了國家自然科學(xué)基金面上項目“鐵基超導(dǎo)體中的自旋漲落及其與超導(dǎo)的關(guān)聯(lián)”，志在對高溫超導(dǎo)機(jī)制進(jìn)行進(jìn)一步探索。

殷志平說：“理解高溫超導(dǎo)機(jī)制不僅會顯著地推動科學(xué)的發(fā)展，還會產(chǎn)生重要的實際應(yīng)用。近年發(fā)現(xiàn)的鐵基超導(dǎo)體給我們提供了一個新的平臺去揭開高溫超導(dǎo)機(jī)制。自旋漲落，軌道漲落和電聲子耦合都被提出來作為可能的鐵基超導(dǎo)機(jī)制?！币獏^(qū)分這些機(jī)制需要準(zhǔn)確的理論和方法，就是殷志平的研究重點。

目前，多體理論一動力學(xué)平均場理論一結(jié)合密度泛函理論（DFT+DMFT）被證明能很好地描述鐵基超導(dǎo)體，包括關(guān)聯(lián)強(qiáng)度、有序磁矩、光電子能譜、自旋漲落等物性。但對殷志平來說還不夠，要想弄清可能的超導(dǎo)機(jī)制，還必須對工具加以創(chuàng)新?！拔覀儗l(fā)展和應(yīng)用最新的DFT+DMFTT具去研究三類特殊的鐵基超導(dǎo)體系，包括La FeAsO的H摻雜、FeSe薄膜的K摻雜和KxFe2-ySe2加壓。它們特殊的雙拱形相圖對可能的超導(dǎo)機(jī)制有更多的限制。”殷志平說，“我們將通過準(zhǔn)確計算它們的電子結(jié)構(gòu)，關(guān)聯(lián)強(qiáng)度和自旋漲落隨摻雜和加壓的變化來建立這些物理量和超導(dǎo)電性的關(guān)聯(lián)，并找到最可能的適用于鐵基超導(dǎo)體的超導(dǎo)機(jī)制。”

自鐵基高溫超導(dǎo)體被發(fā)現(xiàn)以來，許多科研人員致力于尋找新的高溫超導(dǎo)體，而殷志平的成果將為設(shè)計和發(fā)現(xiàn)新的高溫超導(dǎo)體系奠定重要的基礎(chǔ)。“這是一件激動人心的事”，殷志平說：“在強(qiáng)關(guān)聯(lián)條件下，超導(dǎo)機(jī)制的可能性是多種多樣的。而揭開高溫超導(dǎo)機(jī)制的秘密，更是與我國現(xiàn)代科技的進(jìn)步、國家國防和空間安全以及老百姓的生活福祉都息息相關(guān)?！?