高溫超導研究:掀起了一場“暴風雨式的重大發現”

文　嚴佳婧

?

高溫超導研究:
掀起了一場“暴風雨式的重大發現”

文嚴佳婧

復旦超導實驗室里探究竟，平均年齡不足40歲的高溫超導研究團隊或將顛覆學術界。

攻克重重難關　締造無數第一

復旦大學物理系封東來教授課題組完成的項目“鐵基超導體電子結構的光電子能譜研究”早前獲得了“2015年度國家自然科學獎”二等獎，消息一出，掀起了這個前沿科學圈內的學術風浪。

高溫超導電性是凝聚態物理最前沿的問題之一，有重大的基礎研究和應用價值。復旦大學物理系青年科學家封東來教授領銜開展的“鐵基超導體電子結構的光電子能譜研究”，率先發現新的一類鐵基超導體的電子結構，挑戰了之前的鐵基超導主流理論。

該項目以電子結構為突破口，利用先進的角分辨光電子能譜技術獲得了鐵基超導中電子的微觀信息，揭示出超導電性和磁有序現象的機理，做出了多個原創性的發現和許多開拓性的工作：第一，在超導配對的形式方面，率先發現了新的一類鐵基超導體的電子結構并給出了第二類鐵基超導體母體相的電子結構；第二，在超導配對的膠水方面，率先確立第一類鐵基超導母體材料磁有序態的電子結構微觀特征，證明局域磁矩相互作用在超導配對中的作用；第三，在電子結構精確的測量方面，率先實驗確定鐵基超導中復雜的多軌道電子結構并給出多個系列鐵基超導的詳細電子結構，獨立發現了第一類鐵基超導能隙的三維特征及軌道依賴關系。

這些成果為理論和其他實驗研究打下了基礎，一定程度上引領了國內外鐵基高溫超導電子結構和機理的實驗研究。更值得注意的是此次項目研究結果的顛覆性，封東來團隊的多個原創性發現：如過去一貫認為鐵基超導體屬于“弱耦合配對”，但他們發現了新一類鐵基超導體的電子機構，提出了“強耦合配對”理論。這一重大發現打破了鐵基超導自2008年發現以來被建立的主流理論圖像，打開了一扇新的大門。該項目共發表19篇論文，包括刊登于Nature Materials 1篇，刊登于Physica Review Letters 4篇，刊登于Physical ReviewX 1篇，刊登于Physical ReviewB 6篇，并且共被SCI他引525次。在海外學術界，被認為掀起了一場“暴風雨式的重大發現”。

封東來

現為復旦大學物理系教育部長江特聘教授，先進材料實驗室微納電子部副所長，兼任中國科技大學兼職教授、日本廣島大學同步輻射中心客座研究員，中國物理學會同步輻射分會學術委員、國家同步輻射實驗室用戶委員會副主任，亞洲晶體學聯合會、國際新超導體的譜學等系列會議組委，并曾任中國物理學會2003、05、06、07年會“超導和強關聯物理”分會主席，亞洲晶體學聯合會2007年會分會主席。此外，封東來教授還于2004年獲國務院政府特殊津貼，上海市科技啟明星；2005年獲復旦大學校長獎；2006年獲得中國青年科技獎，入選新世紀百千萬人才工程國家級人選。

新一類鐵基超導體的電子機構的發現打破了鐵基超導自2008年發現以來被建立的主流理論圖像

凝聚核心技術　堅持推陳出新

在復旦大學應用表面物理國家重點實驗室，封東來教授和學生們搗鼓著親手搭建起來的實驗器材和設備，開展高溫超導電性的基礎研究。這位43歲的科學家，剛摘得“2015年度國家自然科學獎”二等獎。是此次最年輕的得獎人，而他的團隊中，最年輕的是一位正宗的85后。

封東來教授領導的團隊不乏85后年輕人

如此朝氣蓬勃的隊伍，面對的又是最先進最前沿的鐵基高溫超導研究領域，到底面臨怎樣的困難，經歷過多少次考驗？據封東來教授介紹，現在全世界的高溫超導研究團隊都在進行“賽跑”，為發現新的高溫超導材料而努力，大家共同的終極理想是室溫超導體。室溫超導體是指材料在室溫時就能處于超導狀態。目前，最高溫的超導體是科學家于1986年發現的銅氧化合物高溫超導體，其轉化為超導體的溫度為-113℃，但迄今為止，銅氧化物的超導機理仍然困擾科學家，同時距離室溫的理想還有很大距離。鐵基化合物作為高溫超導家族的第二個成員，于2008年被發現，其轉變溫度目前最高達到-217℃。封教授進一步解釋說道：“自2008年到現在，鐵基超導的轉變溫度一直沒有提高，而我們的新結果表明，這一類的鐵基超導并不是原來的配對機制，從新的配對機制出發，有可能在理論上預言一些新的材料，對于進一步尋找更高的鐵基高溫超導提供了一絲新的曙光。”

實驗結果能夠獲得新突破離不開這支年輕團隊的自我進化。“我們的設備許多都是自己設計，自己搭建的。否則不可能超過別人。”一邊參觀復旦大學先進的超導研究實驗室，封東來教授一邊答疑解惑。“光是維持一臺設備就需要2到3人為一組來進行。實驗室運轉經常處于24小時連軸轉。而分析一份實驗樣品通常都需要花費大約100小時的實驗時間。而且我們的實驗樣本也早已不局限于國內，也有比如來自韓國的團隊，以及世界各地其他實驗室的委托。”

作為基礎學科研究，或許其中的理論復雜，難以向諸如大飛機、磁懸浮、“嫦娥”奔月等“接足地氣”。但正是基礎學科的發展，才能讓建筑其上的理論、成果、技術轉化變為現實。封東來教授坦言，這一切也離不開國家的支持。

完善人才培養　緊跟時代步伐

雖然手握中國青年科技獎等多項榮譽，這位不到30歲就被聘為復旦大學物理系教授、博導，如今剛剛跨越不惑之年的科學家卻表示：“學生是我最寶貴的產出，而不是論文。”

談起學生，封東來教授的自豪之情溢于言表。尤其是談到團隊的第二獲獎人—張焱，這位出身北大物理學院的人才，博士畢業才剛兩年，卻在項目研究中作出了不可小覷的貢獻。封東來教授的團隊總是有這樣那樣的人才離開，有來自海內外的新鮮血液流入；有的是去其他學校做老師，有的是去海外學府繼續深造。與那些希望把有能者捆綁在身邊的作法不同，封東來教授似乎更樂于見到知識和人才的流動，他說：“優秀的年輕人不該放在身邊，而是要讓他們出去走走，為他們提供更多機會。”談到自己在教學，在做項目時的態度和方針，他面帶微笑地說道：“我并不嚴厲，只是為他們提供機會，讓他們自己成長。作為教師，就算面對的學生不是最最優秀的，只要我們的教導能對他們的人生產生影響，我就很欣慰。”

傳道授業解惑，教育育人永遠是一個國家科技和知識發展的重要環節。少年智則國智，面對目前中國的教育環境，封東來教授也很樂觀地表示：“現在中國的超級博士后培養也發展起來了。例如復旦大學的實驗室就在人才培養方面給予了很大的支持，這是一個互利共贏的雙向推進，在保證了優秀人才建設的同時對研究實力也大大增強了。我們甚至吸引到了世界各地的學生。而當國內的博士們都更愿意留在祖國的時候，中國的科研綜合實力就會大大上升。”他的眼睛里閃爍著期待的光芒，“我想這一天，不會太遠”。

一場學術界的暴風雨就是從東方之珠的上海，從它的復旦大學校園中吹向世界。隨著中國未來對于科學研究以及科學教育方面更深入的改革，為科學創新工作提供良好的土壤。我們有理由相信，封東來教授和他的團隊將會為超導的世界帶去更多意想不到的驚喜和發現。我們也由衷地希望，在世界科學之林，會有更多“暴風雨”般的中國科研團隊嶄露頭角。

創新·產業