情牽超導(dǎo) 無悔人生——記浙江大學(xué)求是特聘教授曹光旱

本刊記者 杜月嬌

情牽超導(dǎo) 無悔人生——記浙江大學(xué)求是特聘教授曹光旱

本刊記者 杜月嬌

國際著名物理學(xué)家張富春教授（左）頒發(fā)給曹光旱教授榮譽證書（2009年）

1911年，荷蘭科學(xué)家昂納斯和他的助手費利姆用液氦冷卻汞，當(dāng)溫度下降到4.2K（﹣268.95℃）時，發(fā)現(xiàn)水銀的電阻完全消失，他們將這種現(xiàn)象稱為超導(dǎo)電性。自此，超導(dǎo)電性研究在物理學(xué)領(lǐng)域占據(jù)非常重要的地位，與超導(dǎo)相關(guān)的諾貝爾物理學(xué)獎已經(jīng)頒出了5次（這里未計入2016年的諾貝爾物理學(xué)獎，獲得該大獎的一部分工作與二維超導(dǎo)直接相關(guān)），相繼有10人獲此殊榮。新型超導(dǎo)材料的探索和發(fā)現(xiàn)，不但具有潛在的應(yīng)用價值，而且能夠促進對超導(dǎo)電性的深入理解。同時，新超導(dǎo)體的不斷涌現(xiàn)引領(lǐng)了百余年的超導(dǎo)研究進程。然而，這個過程是艱苦而漫長的，且越來越具有挑戰(zhàn)性。正如攀登一座高峰，有一些人會半途而廢、前功盡棄，而另一些人則能夠堅持向前、勇攀高峰。浙江大學(xué)物理系求是特聘教授、博士生導(dǎo)師曹光旱，正是這些艱難的登峰人中杰出的一位。

1986年，時年20歲的曹光旱畢業(yè)于安徽師范大學(xué)。1989年他以第一名的優(yōu)異成績考取了中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)應(yīng)用化學(xué)系研究生，師從錢逸泰院士。博士生階段又得到了超導(dǎo)專家張裕恒院士的指導(dǎo)。畢業(yè)后來到浙江大學(xué)物理系跟隨先輩張其瑞先生做博士后研究。優(yōu)異的成績和出色的研究能力為他日后的科研事業(yè)打下了堅實的基礎(chǔ)。順暢地完成了學(xué)業(yè)的同時，也使得他與超導(dǎo)研究結(jié)下了不解之緣。20多年來，他孜孜不倦地在超導(dǎo)領(lǐng)域開墾，發(fā)現(xiàn)了一個又一個新型超導(dǎo)材料，收獲了累累碩果，也帶出了一批又一批超導(dǎo)研究新生力量，桃李滿天下。

低谷中的堅持

從1911年被發(fā)現(xiàn)伊始，超導(dǎo)研究百余年間經(jīng)歷了多次“熱潮”，也出現(xiàn)了長時期低谷。上世紀50～70年代，以N b T i和N b3S n為代表的二元合金超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)及其實用化，形成了超導(dǎo)研發(fā)的第一次熱潮。然而這些材料的超導(dǎo)臨界溫度較低，實用化成本很高。突破此“溫度壁壘”，成為超導(dǎo)材料探索的主要目標。1986年，超導(dǎo)研究取得重大突破：K. A. 穆勒和J. G.貝德諾茨在銅氧化合物中觀察到“可能的高溫超導(dǎo)電性”。隨之，中、美科學(xué)家很快地將其超導(dǎo)臨界溫度提升至液氮溫區(qū)（77K）以上，掀起了世界范圍內(nèi)第二波超導(dǎo)研究熱潮。曹光旱幸運地趕上了此熱潮的末班車。然而，由于當(dāng)時研究基礎(chǔ)較弱、研究設(shè)備簡陋、研究經(jīng)費匱乏，我國的相關(guān)研究逐漸落后于美日等國。包括他本人在內(nèi)的中國同行在國內(nèi)未能在新型高溫超導(dǎo)材料的研制方面取得有國際影響力的重大成果。

在接下來的二十年間，高溫超導(dǎo)研究遇到了嚴峻挑戰(zhàn)。例如：高溫超導(dǎo)材料的實用化遇到瓶頸，超導(dǎo)臨界溫度難以進一步提高，高溫超導(dǎo)微觀機理未能達到共識等，致使其相關(guān)研究一度陷入低谷。一部分科學(xué)家因此放棄了超導(dǎo)研究，轉(zhuǎn)向比較熱門的自旋電子學(xué)、石墨烯、納米科學(xué)等方向，可曹光旱等人對超導(dǎo)研究情有獨鐘，始終在超導(dǎo)領(lǐng)域不斷耕耘、探索。正是像他這樣的一批科學(xué)家的堅持和不懈努力，中國超導(dǎo)研究才有了今天令人矚目的成就。

厚積后的爆發(fā)

2008年春，一批堅守在超導(dǎo)研究領(lǐng)域的中國科學(xué)家注意到一種鐵砷化合物可在26K下呈現(xiàn)超導(dǎo)電性的報道，敏感地意識到高溫超導(dǎo)也許會出現(xiàn)在一個全新的體系——鐵基超導(dǎo)體家族中。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)和中國科學(xué)院物理研究所研究人員率先取得重大進展：將常壓下的超導(dǎo)臨界溫度提升至麥克米蘭極限以上，由此證明鐵基超導(dǎo)體是第二類高溫超導(dǎo)體，將超導(dǎo)研究推入第三次研究浪潮。

曹光旱教授雖然錯過了鐵基超導(dǎo)的最早研究機遇，但由于其長期的研究積淀，很快地在此新領(lǐng)域“找到感覺”。2008年以來，他與同事許祝安教授等合作，帶領(lǐng)研究組首創(chuàng)數(shù)種化學(xué)摻雜方法引入鐵基超導(dǎo)電性；獲得了鐵基超導(dǎo)塊體的最高轉(zhuǎn)變溫度；還首次發(fā)現(xiàn)了物理性質(zhì)獨特的鐵基鐵磁超導(dǎo)體。迄今發(fā)表有關(guān)鐵基超導(dǎo)體的論文百余篇，其中有多篇論文入選ESI高引用率論文。2013年，他與許祝安教授等一起獲得了教育部自然科學(xué)獎一等獎。這些成果的取得，更增添了其研究動力，使他在新型超導(dǎo)材料的探索中越走越遠、愈行愈高。

曹光旱教授（左四）與課題組的部分博士研究生合影（2014年）

從銅基和鐵基高溫超導(dǎo)研究中，人們總結(jié)得出結(jié)論：準二維強關(guān)聯(lián)系統(tǒng)可能孕育非常規(guī)超導(dǎo)電性。而對于準一維體系，由于其存在所謂Peierls不穩(wěn)定性以及增強的熱漲落效應(yīng)，很難觀察到超導(dǎo)電性。因而，能否在準一維的強關(guān)聯(lián)電子體系中實現(xiàn)超導(dǎo)電性是件非常有趣的重要課題。2015年，曹光旱課題組在一種具有準一維結(jié)構(gòu)的堿金屬鉻基砷化物A2Cr3As3(A=K,Rb,Cs)中意外發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)電性，這是在鉻基化合物中首次觀察到常壓超導(dǎo)。此項研究成果發(fā)表后，立刻在國內(nèi)外引起了強烈的關(guān)注，并引發(fā)了很多后續(xù)研究。研究結(jié)果表明，該材料可能呈現(xiàn)全新的超導(dǎo)配對態(tài)，因而它對深入認識非常規(guī)超導(dǎo)電性具有重要意義。

2016年以來，曹光旱教授課題組在新型超導(dǎo)體的探索方面又取得了若干重要進展。他們分別報道了鐵磁超導(dǎo)體RbEuFe4As4和CsEuFe4As4以及含雙FeAs層的KCa2Fe4As4F2等超導(dǎo)體。該新型鐵磁超導(dǎo)體同時具有很強的鐵磁性以及大塊超導(dǎo)電性，此項研究成果將進一步加快“磁性超導(dǎo)體”的研究步伐。含有雙Fe2As2層的五元化合物鐵基超導(dǎo)體則是一類具有化學(xué)計量比的“自摻雜”超導(dǎo)體。“該超導(dǎo)體（包括先前發(fā)現(xiàn)的若干種新超導(dǎo)體）的發(fā)現(xiàn)得益于早年跟隨錢逸泰院士讀碩博時所學(xué)到的結(jié)晶化學(xué)”，談到能夠發(fā)現(xiàn)該超導(dǎo)體的緣由，曹教授如是說。

從青春年少到盡知天命，20多年來，曹光旱教授在超導(dǎo)領(lǐng)域兢兢業(yè)業(yè)、埋頭苦干，歷經(jīng)了很多苦楚，也收獲了諸多甘甜。目前他已經(jīng)培養(yǎng)出近十位博士，他們中大部分都能夠在國際權(quán)威期刊（如PRL,PRX,JACS等）上發(fā)表高水平論文，其中有兩位還獲得“全國百篇優(yōu)秀博士學(xué)位論文”提名。回首往昔，無怨無悔；展望將來，充滿希望。帶領(lǐng)他的研究團隊在超導(dǎo)領(lǐng)域里有更多的新發(fā)現(xiàn)，培養(yǎng)出更多、更出色的新生力量與后備人才，助力中國超導(dǎo)研究達到和保持國際領(lǐng)先水平，這就是他未來最大的動力。