越過科研的高山
——記山東大學(xué)教授張俊杰

倪海波

與2012年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主Serge Haroche合影

對(duì)于科學(xué)家來說，他們的一生要面對(duì)無數(shù)座科研的高山。那么，如何才能成功地征服一座座高山，而不至于被其阻礙前方的科研道路？對(duì)此，山東大學(xué)教授張俊杰給出的答案是：必須保持向困難發(fā)起挑戰(zhàn)的勇氣。多年來，他致力于單晶材料的生長(zhǎng)、微觀結(jié)構(gòu)和物理性能方面的研究，憑借深厚的科研能力和不畏挑戰(zhàn)的科研態(tài)度，取得了一個(gè)又一個(gè)令人驚艷的成果。

難忘的會(huì)議

如今，當(dāng)張俊杰再次回憶起多年前的那場(chǎng)會(huì)議，依然會(huì)感到熱血翻涌，他說，未來若有機(jī)會(huì)再參加一次，他一定能夠從中汲取到更多養(yǎng)分。

時(shí)鐘調(diào)撥到2013年的6月30日—7月5日：彼時(shí)，德國(guó)林島群星璀璨，匯集了來自世界各地的34位諾貝爾獎(jiǎng)獲得者和625名青年學(xué)者，他們此行皆是來參加第63界諾貝爾獎(jiǎng)獲得者大會(huì)的。在這場(chǎng)會(huì)議中，頂級(jí)科學(xué)家聚集在一起分享各自的科研經(jīng)歷及研究心得，言談中閃現(xiàn)出的智慧和經(jīng)驗(yàn)足以讓在場(chǎng)的每一位年輕且驕傲的學(xué)者心靈受到觸動(dòng)并將其奉為圭臬。

張俊杰便是受邀前來參加此次會(huì)議的25名中國(guó)博士研究生之一，那時(shí)的他剛在山東大學(xué)取得博士學(xué)位。在攻讀博士學(xué)位期間，張俊杰師從國(guó)家杰青和長(zhǎng)江學(xué)者陶緒堂教授，取得了一系列成果：發(fā)現(xiàn)了α-BaTeMo2O9晶體，首次生長(zhǎng)了大尺寸Cs2TeMo3O12和MgTeMoO6晶體，以第一作者在Chem. Mater.、Cryst. Growth Des.等SCI期刊上發(fā)表研究論文7篇，合作發(fā)表5篇，獲得了多項(xiàng)榮譽(yù)，包括教育部博士研究生學(xué)術(shù)新人獎(jiǎng)，山東大學(xué)校長(zhǎng)獎(jiǎng)學(xué)金和山東省高等學(xué)校優(yōu)秀學(xué)生。自身諸多成果的加持，讓他成功通過了層層選拔，在林島與頂級(jí)科學(xué)家面對(duì)面交談。而那場(chǎng)會(huì)議給他帶來的震撼與感悟，將深刻影響他的后半生。

那場(chǎng)會(huì)議上的震撼是從一張畫著狗的漫畫開始的：一群高大威猛的狗如人般排成一排，形態(tài)幾乎全部保持嚴(yán)肅威武，唯有一只羸弱瘦小的狗，在這排獵狗前面委屈無助地走過。這幅漫畫隱喻的是因發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)晶體而獲得2011年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的以色列科學(xué)家丹尼爾·舍特曼在獲獎(jiǎng)之前的艱苦經(jīng)歷。當(dāng)年，他的發(fā)現(xiàn)轟動(dòng)了整個(gè)學(xué)術(shù)界，而他本人也受到了當(dāng)時(shí)的權(quán)威——兩屆諾貝爾獎(jiǎng)獲得者萊納斯·鮑林的抨擊，被迫離開了他所在的阿姆斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，處境一度十分艱難。這段經(jīng)歷是丹尼爾·舍特曼在大會(huì)報(bào)告中親口講述出來的。“科研的不易我向來是知道的，但是卻沒有想到過程中會(huì)遭遇這么巨大的挑戰(zhàn)與艱辛。”那時(shí)，年輕的張俊杰默默告訴自己，無論未來需要面對(duì)的挑戰(zhàn)有多大，他都必須堅(jiān)持自己對(duì)真理的追求，而真理不一定掌握在權(quán)威手中。

全新的挑戰(zhàn)

在張俊杰后來追求科研的道路中，他遭遇的挑戰(zhàn)不止一次。那次諾貝爾獎(jiǎng)獲得者會(huì)議結(jié)束后，他便漂洋過海遠(yuǎn)赴美國(guó)，先后在阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（2013—2017年）和橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（2017—2019年）從事博士后研究工作，主要研究電子強(qiáng)關(guān)聯(lián)氧化物的高壓晶體生長(zhǎng)、微結(jié)構(gòu)、輸運(yùn)特性、磁性質(zhì)和電磁關(guān)聯(lián)。與博士時(shí)期的研究相比，雖然同屬于材料物理領(lǐng)域，然而具體的研究?jī)?nèi)容卻是天差地別，張俊杰相當(dāng)于重新?lián)Q了跑道。“在科學(xué)研究中，我們要想獲得突破，必須去做自己沒有做過的事情，去學(xué)習(xí)自己沒有使用過的方法，接受新的挑戰(zhàn)。”在張俊杰看來，只有這樣才能逐步成為科研領(lǐng)域的強(qiáng)者。

超乎尋常的努力最終使他在關(guān)聯(lián)量子材料領(lǐng)域特別是鎳基氧化物研究方面取得了一系列創(chuàng)新性成果。低價(jià)層狀鎳氧化合物L(fēng)a4Ni3O8的半導(dǎo)體-絕緣體相變機(jī)理和基態(tài)是否是長(zhǎng)程磁有序一直是理論和實(shí)驗(yàn)研究爭(zhēng)論的焦點(diǎn)。張俊杰及合作者采用高壓浮區(qū)法制備了世界上第一塊La4Ni3O10單晶并還原得到了首塊La4Ni3O8單晶，采用同步輻射X射線單晶衍射技術(shù)發(fā)現(xiàn)了電荷條紋相。“電荷條紋相的形成成功解釋了半導(dǎo)體-絕緣體相變，但是其基態(tài)是否具有磁性仍然是懸而未決的問題。”張俊杰解釋道。對(duì)此，張俊杰及其合作者對(duì)La4Ni3O8進(jìn)行了單晶中子散射研究，確定其長(zhǎng)程磁有序。在電荷條紋相的基礎(chǔ)上，得到電荷/自旋條紋相。

發(fā)現(xiàn)鎳氧化合物具有銅氧化合物中的電荷/自旋條紋相之后，張俊杰再接再厲，繼續(xù)尋求突破。一直以來，由于超導(dǎo)材料具有零電阻和抗磁性的特點(diǎn)，在無損耗電力傳輸、產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)、磁懸浮等領(lǐng)域具有重大的應(yīng)用前景。然而高溫超導(dǎo)機(jī)理極具挑戰(zhàn)性，仍然沒有統(tǒng)一的、量化的理論，這不僅阻礙了新的高溫超導(dǎo)材料特別是室溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)，而且限制了人們對(duì)整個(gè)強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子體系的理解以及新一代技術(shù)（比如量子計(jì)算機(jī)）的發(fā)展。張俊杰以第一作者和獨(dú)立通訊作者發(fā)表在Nat.Phys.上的工作為尋找新型高溫超導(dǎo)材料提供了新的思路。在這項(xiàng)工作中，張俊杰及合作者發(fā)現(xiàn)La4Ni3O8具備銅氧化合物的5個(gè)重要特征：自旋1/2、大的軌道極化、強(qiáng)p-d軌道雜化、強(qiáng)反鐵磁相互作用和存在對(duì)稱破缺相，但是仍有兩點(diǎn)不滿足：一是準(zhǔn)二維四方晶格在低溫被打破；二是基態(tài)為絕緣態(tài)，不超導(dǎo)。張俊杰及合作者利用化學(xué)壓力——采用Pr3+取代La3+,首次制備了1/3空穴自摻雜單晶材料Pr4Ni3O8。發(fā)現(xiàn)Pr4Ni3O8為金屬且具有準(zhǔn)二維四方晶格結(jié)構(gòu)、極大的軌道極化和強(qiáng)的p-d軌道雜化等銅基高溫超導(dǎo)氧合物的重要特性，因而Pr4Ni3O8是過度摻雜（1/3空穴摻雜濃度）銅氧化合物類似物。通過合適的摻雜，很有可能獲得首個(gè)鎳基高溫超導(dǎo)氧化物。

以上工作的發(fā)表，引發(fā)了人們對(duì)低價(jià)層狀鎳氧化合物的強(qiáng)烈興趣，特別是啟發(fā)了薄膜材料研究，為薄膜超導(dǎo)電性的發(fā)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。

2019年，出于對(duì)祖國(guó)的思念、個(gè)人職業(yè)發(fā)展規(guī)劃、對(duì)家人的牽掛等多種因素考慮，張俊杰做出了歸國(guó)的決定。在美國(guó)從事博士后研究的6年里，他以一個(gè)重?fù)Q研究領(lǐng)域的學(xué)術(shù)“新人”身份，一路披荊斬棘，成為世界范圍內(nèi)熟練掌握高壓浮區(qū)單晶生長(zhǎng)技術(shù)的、為數(shù)不多的專業(yè)研究者之一，并在鎳基強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子氧化物超導(dǎo)類似物等研究方向做出了重要的創(chuàng)新性工作。他認(rèn)為能取得這樣的成績(jī)，除了自己對(duì)科研的熱愛與付出外，更要感謝在不同階段幫助自己的幾位導(dǎo)師和多位“貴人”，以及當(dāng)年諾貝爾獎(jiǎng)獲得者大會(huì)上堅(jiān)持真理追求的那番感悟。“它給了我不畏挑戰(zhàn)的底氣。”張俊杰笑著回憶道。

在阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室采用高壓浮區(qū)法生長(zhǎng)晶體

更高的目標(biāo)

作為齊魯青年學(xué)者和泰山青年學(xué)者，張俊杰以教授和博士生導(dǎo)師的身份回到母校山東大學(xué)從事教學(xué)科研工作，并成功入選國(guó)家級(jí)青年人才項(xiàng)目。關(guān)于回國(guó)后的研究方向和工作，他給自己定下了具有高挑戰(zhàn)難度的目標(biāo)。目前鎳基氧化物單晶生長(zhǎng)和超導(dǎo)機(jī)理研究是凝聚態(tài)物理和材料領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)之一，其中單晶制備是基礎(chǔ)和關(guān)鍵，也是最困難的一步，目前國(guó)際上沒有成功的報(bào)道。他不僅要嘗試生長(zhǎng)關(guān)聯(lián)量子材料單晶包括鎳氧化合物，研究鎳基超導(dǎo)的機(jī)理，還要突破高壓浮區(qū)法晶體生長(zhǎng)技術(shù)。“這是一臺(tái)包含著‘卡脖子’技術(shù)的高精尖設(shè)備，盡管目前不對(duì)中國(guó)禁運(yùn)，但長(zhǎng)遠(yuǎn)來說，我們還是應(yīng)該盡快掌握這種設(shè)備的制造技術(shù)。”張俊杰說道。因此，他立志結(jié)合自己多年來對(duì)高壓浮區(qū)爐的使用經(jīng)驗(yàn)及國(guó)內(nèi)的制造技術(shù)，設(shè)計(jì)和制造更高壓力的浮區(qū)爐，實(shí)現(xiàn)我國(guó)在該設(shè)備方面的自主可控和趕超。

當(dāng)然，張俊杰之所以敢立下這樣具有相當(dāng)難度的科研目標(biāo)，其底氣不僅在于他擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)，還在于他有信心打造出一支具備高精尖研究能力的科研隊(duì)伍。長(zhǎng)期以來，張俊杰和美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室等實(shí)驗(yàn)與理論研究組保持著密切的合作關(guān)系，而這些高水平的人才和技術(shù)設(shè)備資源，將會(huì)極大地拓展團(tuán)隊(duì)成員的研究視野。

“我希望和我的導(dǎo)師們——陶緒堂教授、John Mitchell博士和Raphael Hermann博士一樣，盡心盡力地培養(yǎng)年輕人。”張俊杰說道。同時(shí)，他還時(shí)常向?qū)W生們提起自己在當(dāng)年諾貝爾獎(jiǎng)獲得者大會(huì)上的收獲，“我希望培養(yǎng)他們的不止有分析問題和解決問題的能力，還有面對(duì)科研困難的勇氣。”張俊杰說道。在他看來，只有兩者同時(shí)具備，才能越過科研過程中遇到的高山，然后有機(jī)會(huì)繼續(xù)去攀登另一座高山。