追尋高溫超導的秘密
——記北京師范大學教授、“千人計劃”專家殷志平

本刊記者 李明麗

追尋高溫超導的秘密
——記北京師范大學教授、“千人計劃”專家殷志平

本刊記者 李明麗

2012年博士后期間，在緬因州阿卡迪亞公園留影。

2016年是我國“十三五”規劃的開局之年，為加快推進人才發展體制機制改革，我國正以更加開放的視野和理念，更大力度地實施國家“千人計劃”。“國以才立，政以才治，業以才興。”這項海外引智工程無疑給我國科技事業的發展帶來了巨大的影響。

“入選‘千人計劃’不只是一種待遇、一種身份，更要背上相應的責任。”2016年中組部“千人計劃”青年項目入選者殷志平這樣說。

與名師相伴的科研之路

“當初出國是為了求學，既然學成，歸國是自然的。”說話的正是2015年回國的殷志平。他從北京大學畢業出國深造到回國，整整10年。

殷志平的本科專業是物理，畢業之后，為了追求更尖端的知識來到美國加州大學戴維斯分校物理系繼續深造。在這里，他遇到了導師Warren Pickett教授，同時有幸與Sergey Savrasov教授緊密合作，接觸到了奇妙的凝聚態物理學。

“凝聚態物理，是以固體物理為基礎的外向延拓，是現代物理最重要的分支學科之一。當前，凝聚態物理已形成了比固體物理學更廣泛、更深入的體系，從事凝聚態研究的人數在物理學家中首屈一指，每年發表的論文數在物理學的各個分支中居領先位置。”殷志平說。可以看出，對于凝聚態物理，殷志平興趣滿滿。

抱著這樣的熱情，殷志平先后在美國羅格斯大學和紐約州立大學石溪分校從事博士后研究工作，跟隨Gabriel Kotliar教授等著名科學家。殷志平求學期間雖然不在世界頂級名校，但幸運的是，他能一路與名師相伴，并取得了不錯的成績。

在美國羅格斯大學，殷志平以副研究員的身份工作了4年，他所在的Gabriel Kotliar教授組堪稱世界聞名。Gabriel Kotliar教授是動力學平均場理論的開山鼻祖之一，是國際上享有盛譽的明星學者，曾獲歐洲凝聚態物理方面的最高獎“歐洲物理獎”（很多此獎的獲得者后來獲得了諾貝爾獎）。在凝聚態物理方面，Gabriel Kotliar教授組在國際上以基于動力學平均場理論和密度泛函理論的第一性原理計算研究強關聯電子體系、高溫超導而享有盛名。

“所謂第一性原理，是指根據原子核和電子互相作用的原理及其基本運動規律，運用量子力學原理，從具體材料出發，經過一些近似處理后直接求解薛定諤方程而得到實際材料電子結構的方法。”殷志平簡單解釋道。

對于殷志平來說，在這樣的小組中工作是很有壓力的。但沒有壓力就沒有動力，機遇與挑戰并存，壓力與動力共生。在Gabriel Kotliar教授組做相關研究期間，殷志平爭分奪秒地吸取知識，并將其轉化為自己的養分。5年間，他的主要研究方向是強關聯體系第一性原理計算，特別是基于動力學平均場理論和密度泛函理論的第一性原理計算，在強關聯體系和非常規（高溫）超導體特別是鐵基超導體領域做出了重要貢獻。

自2008年鐵基超導體作為高溫超導體的地位被確立之后，物理和材料學界掀起了新一輪高溫超導研究熱。另一方面，凝聚態理論的長足進展使科學家弄清楚了許多材料的物性問題，但是還存在一些疑難問題懸而未決，其中最突出的莫過于強關聯電子體系的問題。

初生牛犢不怕虎。既然要做，就挑最具挑戰性的領域。殷志平初涉此間，選擇的就是凝聚態物理中最困難的領域——強關聯體系。他和合作者率先提出了鐵基超導體是一類全新的強關聯體系，并命名此類體系為洪德金屬，繼而進一步提出并命名了洪德絕緣體（如LaMnPO體系）。“在這類體系中，洪德定則耦合能J是最重要的控制參數，區別于傳統的莫特絕緣體中哈勃U是最重要的控制參數。”不僅如此，殷志平還與合作者第一個發現了鐵基超導體里很強的磁性性質與晶體結構的關聯，并由此發現砷（硒）原子到鐵原子平面的高度是鐵基超導體里最重要的控制參數之一。此發現與后來發現的鐵基超導體的超導溫度與鐵砷（硒）原子距離或者砷（硒）鐵砷（硒）原子的角度有密切關系，一脈相承。

在第一性原理計算方面，殷志平與其合作者發展了從第一性原理計算強關聯體系的自旋動力學和超導物性的方法與計算程序。基于這些發現，殷志平在包括《自然物理》《自然材料》《自然通訊》《物理評論X》《物理評論快報》《美國科學院院報》等國際一流學術期刊發表學術論文近40篇，被世界一流的科學家引用1400多次，其中兩篇文章引用均超過300次。

這些研究成果也得到了國際同行的廣泛認可，殷志平于2013、2015、2016年3次受邀在美國物理學會年會上做邀請報告，其研究成果多次在世界頂級會議上被他和他的合作者在邀請報告中重點討論。

向著新的目標蓄勢待發

凝聚態物理最困難的領域是強關聯體系，而材料物理里最具有發展前景的領域是設計和發現新型功能材料,如高溫超導體、磁性材料、光伏材料等。在強關聯體系和新型功能材料領域實現新的突破具有很重要的科學和現實意義。

基于動力學平均場理論和密度泛函理論的第一性原理計算近些年在凝聚態物理的強關聯體系和材料物理的新型功能材料中大放異彩。但是，國內目前還非常缺乏這方面的一流專家，這方面的研究迫切需要與國際接軌。

在這樣的大背景下，2015年年底，已經獨當一面的殷志平全職回國，加入北京師范大學，于2016年入選中組部千人計劃青年項目并獲優先支持。談到回國的打算，殷志平躊躇滿志：“我希望能在國內推廣和發展基于動力學平均場理論和密度泛函理論的第一性原理計算研究，同時希望能夠促進國內在強關聯體系和新型功能材料領域取得新的突破。”

言猶在耳，依托千人計劃的支持，殷志平成立了自己的研究組。“在國家的支持下，研究組的經費充足，研究條件也很好，包括建設了一套最前沿的高性能計算集群。”殷志平解釋說，之所以配備如此先進的計算集群是因為強關聯體系是復雜的多體問題，而第一性原理的多體理論計算需要強大的計算資源，國內的超算中心無法滿足團隊的計算需求。

隨后，殷志平申請了國家自然科學基金面上項目“鐵基超導體中的自旋漲落及其與超導的關聯”，志在對高溫超導機制進行進一步探索。

殷志平說：“理解高溫超導機制不僅會顯著地推動科學的發展，還會產生重要的實際應用。近年發現的鐵基超導體給我們提供了一個新的平臺去揭開高溫超導機制。自旋漲落，軌道漲落和電聲子耦合都被提出來作為可能的鐵基超導機制。”要區分這些機制需要準確的理論和方法，就是殷志平的研究重點。

目前，多體理論-動力學平均場理論-結合密度泛函理論（DFT+DMFT）被證明能很好地描述鐵基超導體，包括關聯強度、有序磁矩、光電子能譜、自旋漲落等物性。但對殷志平來說還不夠，要想弄清可能的超導機制，還必須對工具加以創新。“我們將發展和應用最新的DFT+DMFT工具去研究三類特殊的鐵基超導體系，包括LaFeAsO的H摻雜、FeSe薄膜的K摻雜和KxFe2-ySe2加壓。它們特殊的雙拱形相圖對可能的超導機制有更多的限制。”殷志平說，“我們將通過準確計算它們的電子結構，關聯強度和自旋漲落隨摻雜和加壓的變化來建立這些物理量和超導電性的關聯，并找到最可能的適用于鐵基超導體的超導機制。”

自鐵基高溫超導體被發現以來，許多科研人員致力于尋找新的高溫超導體，而殷志平的成果將為設計和發現新的高溫超導體系奠定重要的基礎。“這是一件激動人心的事”，殷志平說：“在強關聯條件下，超導機制的可能性是多種多樣的。而揭開高溫超導機制的秘密，更是與我國現代科技的進步、國家國防和空間安全以及老百姓的生活福祉都息息相關。”