我的超導夢

徐芳芳

超導是指在溫度接近絕對零度的時候導電材料的電阻趨近于0的性質。“超導體”是指能進行超導傳輸?shù)膶щ姴牧稀Ｈ祟愖畛醢l(fā)現(xiàn)物體的超導現(xiàn)象是在1911年，當時荷蘭科學家海克·卡末林·昂內斯等人發(fā)現(xiàn)，某些材料在極低的溫度下，其電阻完全消失，呈超導狀態(tài)。零電阻和抗磁性是超導體的兩個重要特性。

100多年來的孜孜以求，人類對于探索超導奧秘以及實現(xiàn)超導體應用寄予了無限渴望，這其中也不乏中國科學家的身影。中國科學院物理研究所副研究員任聰就是一位對超導體性質研究無限癡迷與熱愛的科學家。從美國到中國，他跟隨著發(fā)展中國超導事業(yè)的初心一路前行，在前輩趟出的超導之路上，不斷創(chuàng)新。

探秘高溫超導機理

自從100年前發(fā)現(xiàn)超導現(xiàn)象以來，科學家一直尋求提高其超導溫度和性能的辦法。超導體得天獨厚的特性，使它可能在各種領域得到廣泛的應用。但由于早期的超導體存在于液氦極低溫度條件下，極大地限制了超導材料的應用，人們一直在探索高溫超導體。1986年，高溫超導體的研究取得了重大的突破，掀起了以研究金屬氧化物陶瓷材料為對象，以尋找高臨界溫度超導體為目標的“超導熱”。

高溫超導材料的用途非常廣泛，包括大電流應用、電子學應用和抗磁性應用。大電流應用即超導發(fā)電、輸電和儲能；電子學應用包括超導計算機、超導天線、超導微波器件等；抗磁性主要應用于磁懸浮列車和熱核聚變反應堆等。

然而，目前的高溫超導體距離應用依舊有很大距離，高溫超導體的原理與奧秘依舊在吸引大量科學家從事研究，希望能夠尋找到有應用前景的新材料，以提高其性能。20余年來，人們陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了100余種非金屬以銅氧化合物為基礎的高溫超導材料，大大拓寬了對凝聚態(tài)物質的理解。但是，相關的高溫超導機理卻仍是凝聚態(tài)物理領域的難題之一。

面對這個嚴峻的挑戰(zhàn)，不僅需要利用各種各樣的測量和觀察方法以加深對這種新材料的認識和提高所觀察到的許多不規(guī)則性質的準確性，更重要的是，需要積極地在新合成材料和新的晶體結構中發(fā)現(xiàn)同樣甚至更好的超導電性，對這些各式各樣的高溫超導電性加以綜合分析，從而在理論上，擴大或修正傳統(tǒng)的觀點，建立一個甚至出發(fā)點完全不同的機理模型。

任聰介紹：“高溫超導電性自發(fā)現(xiàn)以來一直是凝聚態(tài)物理學領域的重點研究課題之一，而鐵基超導體的發(fā)現(xiàn)為高溫超導電性研究另辟蹊徑，有助于揭示高溫超導機理。一個關鍵而必須解決的問題是鐵基超導體超導能隙的大小和電子對的配對對稱性。點接觸隧道譜和磁穿透深度測量在研究高溫超導體能隙結構和電子配對對稱性方面起了重要的作用。”

2011年，任聰申請國家自然科學基金項目“鐵基超導體超導能隙函數(shù)和超流密度研究”，即立足于利用點接觸隧道譜儀和高靈敏微米霍爾探測儀測量系列摻雜的鐵基超導體FeAs基和FeSe基高質量單晶樣品的Andreev反射譜和下臨界磁場Hc1以及隨溫度的依賴關系，分析并研究鐵基超導體的能隙結構、能隙大小、超流密度，以及這些參量在摻雜區(qū)的演變規(guī)律，為揭示鐵基超導電性提供有力的實驗數(shù)據(jù)。

這是一個注定充滿挑戰(zhàn)的項目。為此，任聰和團隊也做足了準備。首先，他們致力于制備本征的超導隧道結，包括在真空原位理解基礎上，微加工制備超導/正常金屬隧道結，測量BaFe1-xNixAs2和KFe2+xSe2單晶的Andreev反射譜，以及反射譜隨溫度、磁場的譜線變化，通過認真分析數(shù)據(jù)，根據(jù)一定的理論模型，分析擬合譜線，得到超導能隙的各向異性和大小；超導能隙隨溫度、磁場的演變關系。

此外，下臨界磁場Hc1等價于超流密度，這是任聰在該項目研究中的另一個關鍵物理參量。此前，他們已經(jīng)開發(fā)出利用高靈敏霍爾探測儀測量超導體下臨界磁場的方法。此次，他們繼續(xù)用微霍爾探測技術測量鐵基超導體的下臨界磁場，得到下臨界磁場在c軸方向和ab面方向上的各項異性，即超流密度的各向異性和超流密度絕對大小，以及這些性質對摻雜的依賴關系。以期對此新超導體系的性質在整個摻雜區(qū)有一個比較全面的認識。

項目的創(chuàng)新之處在于，發(fā)展了半導體二維電子霍爾探測技術決定超導體下臨界磁場的方法。下臨界磁場Hc1是超導體的一個基本參量之一，目前還沒有一個成熟的技術精確測定下臨界磁場。任聰發(fā)展了利用半導體二維電子氣霍爾探測和交流震動ac shaking的技術精確地決定下臨界磁場。項目的另一個特色之處在于，利用微加工技術制備點接觸隧道結，避免了通常使用的針尖點接觸單晶樣品造成的針尖壓力效應。

高壓與超導的“化學反應”

2015年，任聰和團隊再次申請國家自然科學基金，其項目為“鐵基超導體高壓隧道譜研究”，這是對上一國家自然科學基金課題的深入與延續(xù)。

任聰說：“壓力作為重要的物態(tài)方程變量，在鐵基超導材料及物性研究中扮演著非常重要的角色。”這一項目致力于探索發(fā)展壓力環(huán)境下的隧道譜儀/微接觸Andreev反射譜儀技術，并利用高壓隧道譜/Andreev反射譜測量技術測試系列鐵基超導體FeSe-11和KFe2As2-122高質量單晶樣品的隧道譜線以及隨溫度、壓力的依賴關系，分析并研究鐵基超導體的能隙結構、能隙大小以及相關的低能激發(fā)模式的壓力演變規(guī)律，為揭示鐵基超導電性提供有力的實驗數(shù)據(jù)。

此次，項目針對的是非常規(guī)超導電性，其自發(fā)現(xiàn)以來一直是凝聚態(tài)物理學領域的熱點研究課題之一。顧名思義，非常規(guī)超導電性是指超導電子配對的機制不再是以常規(guī)的電子—聲子作用，而更多地傾向于電子與其他的集體激發(fā)的相互作用為配對媒介。

壓力作為重要的物態(tài)方程變量，在超導材料及物性研究中扮演著非常重要的角色。高壓可以改變物質中晶體結構、電子的關聯(lián)作用及電子與晶格的相互作用，使許多非超導體成為超導體，而超導轉變溫度Tc也隨著所加壓力而變化多端，呈現(xiàn)出豐富的溫度—壓力相圖。超導體的臨界轉變溫度受高壓調控的現(xiàn)象表明了高壓研究在非常規(guī)超導電性研究中起著關鍵的作用。

此外，隧道譜儀在當今凝聚態(tài)材料物理研究中發(fā)揮著不可替代的作用。超導隧道譜是探測超導體特殊的電子態(tài)密度形式、超導能隙和可能的電子—玻色子集體激發(fā)模式，對超導電性的理論研究提供了大量詳實的實驗數(shù)據(jù)支持與佐證。然而目前隧道譜儀工作環(huán)境還比較單一，工作模式也是基于常壓環(huán)境下，所得到的均是常壓下超導材料的信息。

“由于針尖式隧道譜和Andreev反射譜均不能在高壓環(huán)境下開展工作，不能得到高壓下超導物質相的隧道譜信息，極大限制了隧道譜儀在高壓超導電性研究中的重要性。到目前為止，國際上所有研究組還沒有拓展壓力下的Andreev反射譜技術。此外，高精度的掃描隧道譜（STM）也不可能在高壓環(huán)境下工作，而只能發(fā)展平面隧道結的方法。”任聰說。

基于以上考慮，任聰及團隊自主獨立創(chuàng)新，率先提出進行高壓超導隧道譜實驗研究。結合當今先進的高壓實驗技術，發(fā)展高壓環(huán)境下工作的平面結超導隧道譜和平面微接觸Andreev反射譜實驗技術，為揭示高壓超導機理提供第一手可靠的實驗數(shù)據(jù)。同時，平面的異質隧道結也是真實的器件構型，發(fā)展高壓超導隧道譜的研究也為開發(fā)隧道結器件在極端條件下的新的應用領域提供了可能。

項目研究目標涵蓋了典型的電聲作用強耦合元素超導體鉛Pb的高壓隧道譜及高壓聲子譜密度，鐵基超導體FeSe、FeSeTe單晶，Kfe2As2、RbFe2As2。項目的創(chuàng)新之處在于，探索和發(fā)展了壓力相關的隧道譜技術方法。任聰及團隊創(chuàng)造性地提出利用微加工技術制備平面結及平面接觸隧道結，避免了通常使用的針尖點接觸單晶樣品造成的針尖壓力效應，而且平面結才是壓力環(huán)境中工作的樣品構型。他們已經(jīng)在超導體Pb膜上實驗了高壓隧道譜的可行性，而鐵基高壓隧道譜項目正是他們的原創(chuàng)工作，具有國際創(chuàng)新意義。

堅持是成功的唯一途徑

100年超導歷史，科學家前赴后繼地探索研究，只為能夠將之盡快應用。這是一條充滿艱辛的路，沒有足夠的熱愛與毅力，無法支撐一個人在這條路上走下去。和許多人一樣，任聰邁進這一領域，最初是出于學生時代對物理的熱愛。在科學史中，那些改變世界的科學家總是讓他心生崇敬。

1999年，任聰在獲得南京大學凝聚態(tài)物理專業(yè)博士學位后，來到美國布朗大學從事博士后研究工作，隨后又轉戰(zhàn)佛羅里達州立大學繼續(xù)從事博士后研究工作。在美國6年，任聰遇到了對他科研生涯影響至深的導師Von Molnar教授。“導師曾任IBM研究部主任28年，退休后來到佛羅里達州立大學，他座下的學生曾有一人獲得過諾貝爾獎。每年呈送給美國國務院的世界科研進展報告，他是執(zhí)筆人之一。”任聰說。

彼時，任聰正在考慮回國發(fā)展一事，他把自己的想法告訴了導師，并得到了導師的大力支持。當時正值2004年亞特蘭大奧運會舉行之際，導師以中國的奧運金牌數(shù)量為例，向任聰表達了他對中國科研前景的看法：“20年前中國在奧運會上的金牌數(shù)量只有很少的幾塊，隨后中國政府把精力投入在體育事業(yè)發(fā)展上，僅僅20年發(fā)展，中國的金牌數(shù)量就上升至第二名。這說明，政府一旦把眼光放在科研上，中國的科研事業(yè)也一定會迅速發(fā)展起來。而我已經(jīng)感覺到，中國政府已經(jīng)把眼光放在了科研上，現(xiàn)在正是需要人的時候。現(xiàn)在只是欠缺人力物力，一旦投入跟上來，中國的科研前景是不可限量的。”

導師的一番話，對任聰?shù)挠绊懼两癃q在。自2005年回國以來，任聰感受到的祖國科研事業(yè)的發(fā)展進程，驗證了當年導師的一番話。這是一片大有可為的天地，此時正是施展抱負的良機。在對超導研究的極大熱情下，任聰回國十年，干勁十足，生活上的瑣事都可以化繁為簡，工作幾乎占據(jù)了他生活的全部，為了科研，他始終爭分奪秒。

“在國際上來說，我國在材料領域的實力已經(jīng)跟日本不相上下。這要感謝趙忠賢老師等前輩，他們堅持在超導研究領域幾十年，誕生了一批成果，帶出了一批人才。”老一輩的科學家艱苦卓絕發(fā)展中國超導事業(yè)的事跡，一直激勵著任聰。他說：“一件事的成功率如果只有1%，那么做一次的成功率也只有1%，而堅持做100次，成功率會提升到37%。做超導很苦，很多人堅持不了，然而成功的秘訣只有堅持。趙忠賢老師那一輩超導人，能在國家沒有基礎的情況下，做到國際數(shù)一數(shù)二的水平，很不容易。我們應該向他們學習。”

任聰說，要堅持在超導路上持之以恒地走下去，一是要具備極大的興趣；二是要敢于在困難面前創(chuàng)新求變、大膽探索。在開展“鐵基超導體高壓隧道譜研究”前，國際上還沒有人想到過要把高壓手段放進研究譜型里。任聰問過很多同行，如果他做一個隧道譜，從事這方面的研究是否可行，得到的答案幾乎都是否定的。“一個材料做好后，我們總是很小心地想保護它。現(xiàn)在施加壓力，不是在破壞它嗎？”然而，任聰并不這么看。他說：“試想一堆沙子輕輕一碰就會散，而一粒沙就不會被壓壞。也就是說，把尺寸做小了，就不容易被破壞。”

有了這個想法后，任聰馬上付諸實踐，這才有了今天的國家自然科學基金課題。他說：“科研需要不斷去嘗試，僅僅是想或者猶豫，有些發(fā)現(xiàn)就會被錯過。”未來，他希望能夠利用高壓隧道探測一些超導體的性質，同時，利用高壓技術提高超導溫度也是他未來工作的一個方向。

有壓力才有動力，有夢想才能看見遠方。超導路雖然艱辛，然而任聰卻用熱情與激情堅守著，在風雨兼程中收獲喜悅與成功。