情牽超導 無悔人生——記浙江大學求是特聘教授曹光旱

本刊記者 杜月嬌

情牽超導 無悔人生——記浙江大學求是特聘教授曹光旱

本刊記者 杜月嬌

國際著名物理學家張富春教授（左）頒發給曹光旱教授榮譽證書（2009年）

1911年，荷蘭科學家昂納斯和他的助手費利姆用液氦冷卻汞，當溫度下降到4.2K（﹣268.95℃）時，發現水銀的電阻完全消失，他們將這種現象稱為超導電性。自此，超導電性研究在物理學領域占據非常重要的地位，與超導相關的諾貝爾物理學獎已經頒出了5次（這里未計入2016年的諾貝爾物理學獎，獲得該大獎的一部分工作與二維超導直接相關），相繼有10人獲此殊榮。新型超導材料的探索和發現，不但具有潛在的應用價值，而且能夠促進對超導電性的深入理解。同時，新超導體的不斷涌現引領了百余年的超導研究進程。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。浙江大學物理系求是特聘教授、博士生導師曹光旱，正是這些艱難的登峰人中杰出的一位。

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

低谷中的堅持

從1911年被發現伊始，超導研究百余年間經歷了多次“熱潮”，也出現了長時期低谷。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體的發現及其實用化，形成了超導研發的第一次熱潮。然而這些材料的超導臨界溫度較低，實用化成本很高。突破此“溫度壁壘”，成為超導材料探索的主要目標。1986年，超導研究取得重大突破：K. A. 穆勒和J. G.貝德諾茨在銅氧化合物中觀察到“可能的高溫超導電性”。隨之，中、美科學家很快地將其超導臨界溫度提升至液氮溫區（77K）以上，掀起了世界范圍內第二波超導研究熱潮。曹光旱幸運地趕上了此熱潮的末班車。然而，由于當時研究基礎較弱、研究設備簡陋、研究經費匱乏，我國的相關研究逐漸落后于美日等國。包括他本人在內的中國同行在國內未能在新型高溫超導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，高溫超導研究遇到了嚴峻挑戰。例如：高溫超導材料的實用化遇到瓶頸，超導臨界溫度難以進一步提高，高溫超導微觀機理未能達到共識等，致使其相關研究一度陷入低谷。一部分科學家因此放棄了超導研究，轉向比較熱門的自旋電子學、石墨烯、納米科學等方向，可曹光旱等人對超導研究情有獨鐘，始終在超導領域不斷耕耘、探索。正是像他這樣的一批科學家的堅持和不懈努力，中國超導研究才有了今天令人矚目的成就。

厚積后的爆發

2008年春，一批堅守在超導研究領域的中國科學家注意到一種鐵砷化合物可在26K下呈現超導電性的報道，敏感地意識到高溫超導也許會出現在一個全新的體系——鐵基超導體家族中。中國科學技術大學和中國科學院物理研究所研究人員率先取得重大進展：將常壓下的超導臨界溫度提升至麥克米蘭極限以上，由此證明鐵基超導體是第二類高溫超導體，將超導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，很快地在此新領域“找到感覺”。2008年以來，他與同事許祝安教授等合作，帶領研究組首創數種化學摻雜方法引入鐵基超導電性；獲得了鐵基超導塊體的最高轉變溫度；還首次發現了物理性質獨特的鐵基鐵磁超導體。迄今發表有關鐵基超導體的論文百余篇，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研究中，人們總結得出結論：準二維強關聯系統可能孕育非常規超導電性。而對于準一維體系，由于其存在所謂Peierls不穩定性以及增強的熱漲落效應，很難觀察到超導電性。因而，能否在準一維的強關聯電子體系中實現超導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構的堿金屬鉻基砷化物A2Cr3As3(A=K,Rb,Cs)中意外發現了超導電性，這是在鉻基化合物中首次觀察到常壓超導。此項研究成果發表后，立刻在國內外引起了強烈的關注，并引發了很多后續研究。研究結果表明，該材料可能呈現全新的超導配對態，因而它對深入認識非常規超導電性具有重要意義。

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體RbEuFe4As4和CsEuFe4As4以及含雙FeAs層的KCa2Fe4As4F2等超導體。該新型鐵磁超導體同時具有很強的鐵磁性以及大塊超導電性，此項研究成果將進一步加快“磁性超導體”的研究步伐。含有雙Fe2As2層的五元化合物鐵基超導體則是一類具有化學計量比的“自摻雜”超導體。“該超導體（包括先前發現的若干種新超導體）的發現得益于早年跟隨錢逸泰院士讀碩博時所學到的結晶化學”，談到能夠發現該超導體的緣由，曹教授如是說。

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