原子尺度上解密高溫超導體

汲曉奇

在2014年1月10日國家科學技術(shù)獎勵大會上，多年空缺的國家自然科學一等獎被鐵基超導研究團隊獲得，一時間“鐵基高溫超導”一詞再次被人們所關(guān)注。

殊不知，早在2008年凝聚態(tài)物理學領(lǐng)域掀起鐵基高溫超導研究熱潮后的次年，宋燦立就在薛其坤院士的指導下開展鐵基超導體FeSe高質(zhì)量薄膜分子束外延（MBE）生長的探索，并于2011年作為第一作者在《Science》上發(fā)表了有關(guān)鐵基超導FeSe研究的論文“Direct Observation of Nodes and Twofold Symmetry in FeSe Superconductor（鐵硒超導體中能隙節(jié)點和二重對稱性的直接觀測）”。這是我國科學家首次在《Science》雜志上發(fā)布這個領(lǐng)域的研究成果，同時還入選2011年“中國百篇最具影響國際學術(shù)論文”和“中國高等學校十大科技進展”。

發(fā)展至今，高溫超導仍然是凝聚態(tài)物理基礎研究的前沿科學之一，不斷吸引著世界上諸多優(yōu)秀科學家的目光。在已發(fā)現(xiàn)的10種左右鐵基超導體系中，有4種是由我國科學家獨立發(fā)現(xiàn)。更難能可貴的是，在其物性和機理研究中，我國更是做出了許多世界一流成果。

勇登高峰 零的突破

1911年，在荷蘭萊頓實驗室里，昂尼斯等人利用液氦把金屬汞降溫到4.2 K（零下269攝氏度）時，意外地發(fā)現(xiàn)其電阻值突然降到儀器測量范圍的最小值之下，可認為電阻為零。于是他們把此狀態(tài)下的金屬叫做超導體，寓意“超級”。

低溫環(huán)境是超導體發(fā)揮“特效”的關(guān)鍵因素，但低溫往往需要依賴昂貴的液氦來維持，無形中極大增加了超導體的應用成本。于是在此后的數(shù)年中，致力發(fā)現(xiàn)具有高轉(zhuǎn)變溫度的超導體甚至“室溫超導體”便成為科學家不懈的追求。

直到上世紀80年代，銅氧化物超導體因具有液氮溫度以上的超導臨界溫度脫穎而出，成為超導家族中的“高溫超導體”。但令人頗感失望的是，人們發(fā)現(xiàn)銅氧化物高溫超導體因為其本質(zhì)為陶瓷材料，在力學性能上顯得脆弱不堪，且缺乏柔韌性和延展性；在物理性質(zhì)上其臨界電流密度又太小，容易在承載大電流時失去超導電性而迅速發(fā)熱，因此難以大規(guī)模應用。

2008年2月23日，日本東京工業(yè)大學細野秀雄教授團隊宣布，在氟摻雜的“鑭-鐵-砷-氧”體系中存在26K超導電性。此后，“鐵基超導體”無疑打開了一扇窗。由于其金屬性，更加容易被加工成線材和帶材；其可承載的上臨界磁場/臨界電流與銅基超導體相當，甚至有可能更優(yōu)越。

得知此消息后，我國科學家迅速展開了鐵基超導體體材料的物性研究。宋燦立在薛其坤院士的指導下開始研制如何制備鐵基超導體薄膜。他們希望從不同的思路探索高溫超導體的機理問題，同時可以為鐵基超導材料的最終應用奠定材料基礎。然而，科研之路永遠不會一帆風順，盡管宋燦立他們選擇了鐵基超導體中結(jié)構(gòu)最簡單的FeSe做為研究目標，但由于Fe和Se合金相圖的復雜性，他們所制備的薄膜一直都是絕緣的，沒有任何超導的跡象。

“數(shù)個月沒有結(jié)果”，宋燦立失望過、苦惱過，但他終沒有放棄。一天傍晚，他照常在實驗室做實驗，苦苦期盼或許早已成為常態(tài)，但就在凌晨時分，他采到了第一個具有超導能隙的掃描隧道譜——“我們成功了！”這意味著高質(zhì)量超導FeSe薄膜就此誕生，要知道這比2014年高質(zhì)量FeSe單晶的獲得整整早了5年。

研究鐵基超導體，宋燦立和他們團隊的創(chuàng)新之處在于將分子束外延技術(shù)（Molecular Beam Epitaxy，MBE）與掃描隧道顯微鏡（Scanning Tunneling Microscope，STM）進行了有機的結(jié)合，他們把半導體領(lǐng)域中的分子束外延技術(shù)拓展到鐵基超導材料的制備中，實現(xiàn)了對超導薄膜生長過程和形貌原子水平上的精確控制，制備出了化學成分嚴格可控的高質(zhì)量單晶FeSe薄膜；在此基礎上，他們利用同時具有空間原子分辨和高能量分辨本領(lǐng)的強磁場掃描隧道顯微技術(shù)對薄膜進行了原位的表征，這在國際上形成了獨特的研究特色。

那時，距宋燦立獲得博士學位才僅僅過去了6個月。在《Science》上初試牛刀的他隨后成功申請到了哈佛大學物理系的Lawrence Golub Fellowship。據(jù)悉，該Fellowship評審委員會那年共收到來自全球的233個申請，最后只有兩位申請者獲得了機會，宋燦立就是其中的一位。

兩種思路 探索機理

眾所周知，銅氧化物高溫超導體的超導機理是近30年來凝聚態(tài)物理的一個重大科學難題。已有研究證明，對于傳統(tǒng)的超導體（如Pb），通過電子聲子相互作用導致費米面附近電子兩兩配對（庫珀對），從而實現(xiàn)超導凝聚。隧道譜測量可以給出直接證明，導致超導配對的聲子會在隧道電流的二階導數(shù)（d2I/dV2）譜超導能隙之外變現(xiàn)為明顯的低谷和峰的結(jié)構(gòu)。而對于銅氧化物和新近發(fā)現(xiàn)的鐵基高溫超導體，多數(shù)人認為它們具有與傳統(tǒng)超導體不同的配對機制——其電子配對媒介可能是其它的集體激發(fā)或者波色子（如自旋漲落）。據(jù)宋燦立介紹，目前這樣的波色子已經(jīng)在銅氧化物和鐵砷基高溫超導體中被掃描隧道譜所觀察到。后來，他延續(xù)了對FeSe單晶薄膜的超導性質(zhì)研究，通過高分辨掃描隧道顯微譜技術(shù)發(fā)現(xiàn)，在FeSe薄膜中超導能隙之外同樣存在波色子激發(fā)，還進一步發(fā)現(xiàn)該激發(fā)能量與超導能隙大小存在正關(guān)聯(lián)關(guān)系。“我們的研究對理解高溫銅氧化物和鐵基超導體中電子-波色子相互作用有重要意義！”

2014年9月，宋燦立加入清華大學物理系薛其坤研究團隊繼續(xù)進行高溫超導體的研究，致力于發(fā)現(xiàn)高溫超導體的電子配對機理以及發(fā)現(xiàn)具有更高超導轉(zhuǎn)變溫度的超導體系。區(qū)別于MBE自下而上生長的制備方法，宋燦立他們又換了一種新思路——用外力打擊原子表面，使其自上而下層層撥開從而得到不同組成高溫銅氧化物超導體的每個原子層。于是，他和馬旭村、薛其坤導師共同指導清華大學物理系低維量子物理國家重點實驗室的博士研究生，利用氬離子轟擊和臭氧氣氛下退火技術(shù)，首次成功制備出了組Bi2Sr2CaCu2O8+x（Bi-2212） 超導體的所有氧化物原子層（BiO、SrO和CuO2）。在此基礎上，他們利用原位的低溫掃描隧道顯微鏡/譜系統(tǒng)地研究了它們各自的電子結(jié)構(gòu)。實驗發(fā)現(xiàn)，在BiO表面上觀察到的贗能隙起源于BiO本身，而與CuO2原子層超導或超導電性無關(guān)。SrO原子層在費米能級附近存在范霍夫奇點，表現(xiàn)為金屬性，是電荷庫層，而超導能隙僅僅存在于CuO2層。

該研究成果以“Mapping the electronic structure of each ingredient oxide layer of high-Tc cuprate superconductor Bi2Sr2CaCu2O8+”為題發(fā)表在2015年12月2日的Physical Review Letters上。這項工作對贗能隙的存在提出了嚴重的挑戰(zhàn)，如果所述結(jié)果在其它銅氧化物高溫超導體中得到進一步證實，無疑將會對高溫超導機理的解決起到重要的推動作用。

一心為國 砥礪前行

宋燦立辦公室的書桌上擺放著一張他女兒的照片，提到不滿4歲的女兒，宋燦立的臉上洋溢著幸福。對于今天來之不易的美好生活，宋燦立說很感謝國家。

然而，感激不是說說而已，宋燦立用自己的實際行動表達了一腔熱血——回國并加入清華大學科研團隊，而此番行動所付出的機會成本是優(yōu)厚的待遇和生活條件。新型材料的科研工作無疑是在“啃硬骨頭”，在他看來，“科研本來就是挫折”，因為做科研不像課堂上老師講課，現(xiàn)成的知識，探索就是一個不斷經(jīng)歷失敗而最終成功升華的過程。然而困難常有，如何調(diào)整心態(tài)戰(zhàn)勝它就成了關(guān)乎成敗的重要因素。還記得在宋燦立念博士期間，經(jīng)常是一個課題做了很長時間也無結(jié)果，困苦的他便出去跑了幾圈，回來又接著做，“還是自己調(diào)節(jié)”。

除了做好自己，宋燦立還總說，“攻克難題是我們肩負的責任！”他口中的“我們”，指的就是“低維量子物理國家重點實驗室”團隊。常言道，獨木不成林，在這個大集體中，每一位優(yōu)秀的份子都貢獻著自己的全部力量，大家總是有困難一齊上，一起討論、分析、做實驗……在這里，總會上演“1+1>2”的效果。

科研不是一蹴而就，攻堅需要時間的見證，“短時間內(nèi)看不到成果，但長時間后一定會有收獲”，現(xiàn)在的宋燦立感覺“自己狀態(tài)很好”，對未來十分有信心。他也給自己設立了一個“10年”的目標，在期限內(nèi)希望做出真正有突破的科研成果。

宋燦立說，他從小到大一直很保守，總喜歡一步步腳踏實地地往前走。如今回首望去，留下的是一串串閃光的腳印。我國原子彈之父錢三強院士曾說過：古往今來，能成就事業(yè)，對人類有作為的，無一不是腳踏實地攀登的結(jié)果。未來的宋燦立，會走得更加堅定與夯實，翻越更多的科研高峰。endprint