我的超导梦

徐芳芳

超导是指在温度接近绝对零度的时候导电材料的电阻趋近于0的性质。“超导体”是指能进行超导传输的导电材料。人类最初发现物体的超导现象是在1911年，当时荷兰科学家海克·卡末林·昂内斯等人发现，某些材料在极低的温度下，其电阻完全消失，呈超导状态。零电阻和抗磁性是超导体的两个重要特性。

100多年来的孜孜以求，人类对于探索超导奥秘以及实现超导体应用寄予了无限渴望，这其中也不乏中国科学家的身影。中国科学院物理研究所副研究员任聪就是一位对超导体性质研究无限痴迷与热爱的科学家。从美国到中国，他跟随着发展中国超导事业的初心一路前行，在前辈趟出的超导之路上，不断创新。

探秘高温超导机理

自从100年前发现超导现象以来，科学家一直寻求提高其超导温度和性能的办法。超导体得天独厚的特性，使它可能在各种领域得到广泛的应用。但由于早期的超导体存在于液氦极低温度条件下，极大地限制了超导材料的应用，人们一直在探索高温超导体。1986年，高温超导体的研究取得了重大的突破，掀起了以研究金属氧化物陶瓷材料为对象，以寻找高临界温度超导体为目标的“超导热”。

高温超导材料的用途非常广泛，包括大电流应用、电子学应用和抗磁性应用。大电流应用即超导发电、输电和储能；电子学应用包括超导计算机、超导天线、超导微波器件等；抗磁性主要应用于磁悬浮列车和热核聚变反应堆等。

然而，目前的高温超导体距离应用依旧有很大距离，高温超导体的原理与奥秘依旧在吸引大量科学家从事研究，希望能够寻找到有应用前景的新材料，以提高其性能。20余年来，人们陆续发现了100余种非金属以铜氧化合物为基础的高温超导材料，大大拓宽了对凝聚态物质的理解。但是，相关的高温超导机理却仍是凝聚态物理领域的难题之一。

面对这个严峻的挑战，不仅需要利用各种各样的测量和观察方法以加深对这种新材料的认识和提高所观察到的许多不规则性质的准确性，更重要的是，需要积极地在新合成材料和新的晶体结构中发现同样甚至更好的超导电性，对这些各式各样的高温超导电性加以综合分析，从而在理论上，扩大或修正传统的观点，建立一个甚至出发点完全不同的机理模型。

任聪介绍：“高温超导电性自发现以来一直是凝聚态物理学领域的重点研究课题之一，而铁基超导体的发现为高温超导电性研究另辟蹊径，有助于揭示高温超导机理。一个关键而必须解决的问题是铁基超导体超导能隙的大小和电子对的配对对称性。点接触隧道谱和磁穿透深度测量在研究高温超导体能隙结构和电子配对对称性方面起了重要的作用。”

2011年，任聪申请国家自然科学基金项目“铁基超导体超导能隙函数和超流密度研究”，即立足于利用点接触隧道谱仪和高灵敏微米霍尔探测仪测量系列掺杂的铁基超导体FeAs基和FeSe基高质量单晶样品的Andreev反射谱和下临界磁场Hc1以及随温度的依赖关系，分析并研究铁基超导体的能隙结构、能隙大小、超流密度，以及这些参量在掺杂区的演变规律，为揭示铁基超导电性提供有力的实验数据。

这是一个注定充满挑战的项目。为此，任聪和团队也做足了准备。首先，他们致力于制备本征的超导隧道结，包括在真空原位理解基础上，微加工制备超导/正常金属隧道结，测量BaFe1-xNixAs2和KFe2+xSe2单晶的Andreev反射谱，以及反射谱随温度、磁场的谱线变化，通过认真分析数据，根据一定的理论模型，分析拟合谱线，得到超导能隙的各向异性和大小；超导能隙随温度、磁场的演变关系。

此外，下临界磁场Hc1等价于超流密度，这是任聪在该项目研究中的另一个关键物理参量。此前，他们已经开发出利用高灵敏霍尔探测仪测量超导体下临界磁场的方法。此次，他们继续用微霍尔探测技术测量铁基超导体的下临界磁场，得到下临界磁场在c轴方向和ab面方向上的各项异性，即超流密度的各向异性和超流密度绝对大小，以及这些性质对掺杂的依赖关系。以期对此新超导体系的性质在整个掺杂区有一个比较全面的认识。

项目的创新之处在于，发展了半导体二维电子霍尔探测技术决定超导体下临界磁场的方法。下临界磁场Hc1是超导体的一个基本参量之一，目前还没有一个成熟的技术精确测定下临界磁场。任聪发展了利用半导体二维电子气霍尔探测和交流震动ac shaking的技术精确地决定下临界磁场。项目的另一个特色之处在于，利用微加工技术制备点接触隧道结，避免了通常使用的针尖点接触单晶样品造成的针尖压力效应。

高压与超导的“化学反应”

2015年，任聪和团队再次申请国家自然科学基金，其项目为“铁基超导体高压隧道谱研究”，这是对上一国家自然科学基金课题的深入与延续。

任聪说：“压力作为重要的物态方程变量，在铁基超导材料及物性研究中扮演着非常重要的角色。”这一项目致力于探索发展压力环境下的隧道谱仪/微接触Andreev反射谱仪技术，并利用高压隧道谱/Andreev反射谱测量技术测试系列铁基超导体FeSe-11和KFe2As2-122高质量单晶样品的隧道谱线以及随温度、压力的依赖关系，分析并研究铁基超导体的能隙结构、能隙大小以及相关的低能激发模式的压力演变规律，为揭示铁基超导电性提供有力的实验数据。

此次，项目针对的是非常规超导电性，其自发现以来一直是凝聚态物理学领域的热点研究课题之一。顾名思义，非常规超导电性是指超导电子配对的机制不再是以常规的电子—声子作用，而更多地倾向于电子与其他的集体激发的相互作用为配对媒介。

压力作为重要的物态方程变量，在超导材料及物性研究中扮演着非常重要的角色。高压可以改变物质中晶体结构、电子的关联作用及电子与晶格的相互作用，使许多非超导体成为超导体，而超导转变温度Tc也随着所加压力而变化多端，呈现出丰富的温度—压力相图。超导体的临界转变温度受高压调控的现象表明了高压研究在非常规超导电性研究中起着关键的作用。

此外，隧道谱仪在当今凝聚态材料物理研究中发挥着不可替代的作用。超导隧道谱是探测超导体特殊的电子态密度形式、超导能隙和可能的电子—玻色子集体激发模式，对超导电性的理论研究提供了大量详实的实验数据支持与佐证。然而目前隧道谱仪工作环境还比较单一，工作模式也是基于常压环境下，所得到的均是常压下超导材料的信息。

“由于针尖式隧道谱和Andreev反射谱均不能在高压环境下开展工作，不能得到高压下超导物质相的隧道谱信息，极大限制了隧道谱仪在高压超导电性研究中的重要性。到目前为止，国际上所有研究组还没有拓展压力下的Andreev反射谱技术。此外，高精度的扫描隧道谱（STM）也不可能在高压环境下工作，而只能发展平面隧道结的方法。”任聪说。

基于以上考虑，任聪及团队自主独立创新，率先提出进行高压超导隧道谱实验研究。结合当今先进的高压实验技术，发展高压环境下工作的平面结超导隧道谱和平面微接触Andreev反射谱实验技术，为揭示高压超导机理提供第一手可靠的实验数据。同时，平面的异质隧道结也是真实的器件构型，发展高压超导隧道谱的研究也为开发隧道结器件在极端条件下的新的应用领域提供了可能。

项目研究目标涵盖了典型的电声作用强耦合元素超导体铅Pb的高压隧道谱及高压声子谱密度，铁基超导体FeSe、FeSeTe单晶，Kfe2As2、RbFe2As2。项目的创新之处在于，探索和发展了压力相关的隧道谱技术方法。任聪及团队创造性地提出利用微加工技术制备平面结及平面接触隧道结，避免了通常使用的针尖点接触单晶样品造成的针尖压力效应，而且平面结才是压力环境中工作的样品构型。他们已经在超导体Pb膜上实验了高压隧道谱的可行性，而铁基高压隧道谱项目正是他们的原创工作，具有国际创新意义。

坚持是成功的唯一途径

100年超导历史，科学家前赴后继地探索研究，只为能够将之尽快应用。这是一条充满艰辛的路，没有足够的热爱与毅力，无法支撑一个人在这条路上走下去。和许多人一样，任聪迈进这一领域，最初是出于学生时代对物理的热爱。在科学史中，那些改变世界的科学家总是让他心生崇敬。

1999年，任聪在获得南京大学凝聚态物理专业博士学位后，来到美国布朗大学从事博士后研究工作，随后又转战佛罗里达州立大学继续从事博士后研究工作。在美国6年，任聪遇到了对他科研生涯影响至深的导师Von Molnar教授。“导师曾任IBM研究部主任28年，退休后来到佛罗里达州立大学，他座下的学生曾有一人获得过诺贝尔奖。每年呈送给美国国务院的世界科研进展报告，他是执笔人之一。”任聪说。

彼时，任聪正在考虑回国发展一事，他把自己的想法告诉了导师，并得到了导师的大力支持。当时正值2004年亚特兰大奥运会举行之际，导师以中国的奥运金牌数量为例，向任聪表达了他对中国科研前景的看法：“20年前中国在奥运会上的金牌数量只有很少的几块，随后中国政府把精力投入在体育事业发展上，仅仅20年发展，中国的金牌数量就上升至第二名。这说明，政府一旦把眼光放在科研上，中国的科研事业也一定会迅速发展起来。而我已经感觉到，中国政府已经把眼光放在了科研上，现在正是需要人的时候。现在只是欠缺人力物力，一旦投入跟上来，中国的科研前景是不可限量的。”

导师的一番话，对任聪的影响至今犹在。自2005年回国以来，任聪感受到的祖国科研事业的发展进程，验证了当年导师的一番话。这是一片大有可为的天地，此时正是施展抱负的良机。在对超导研究的极大热情下，任聪回国十年，干劲十足，生活上的琐事都可以化繁为简，工作几乎占据了他生活的全部，为了科研，他始终争分夺秒。

“在国际上来说，我国在材料领域的实力已经跟日本不相上下。这要感谢赵忠贤老师等前辈，他们坚持在超导研究领域几十年，诞生了一批成果，带出了一批人才。”老一辈的科学家艰苦卓绝发展中国超导事业的事迹，一直激励着任聪。他说：“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%，而坚持做100次，成功率会提升到37%。做超导很苦，很多人坚持不了，然而成功的秘诀只有坚持。赵忠贤老师那一辈超导人，能在国家没有基础的情况下，做到国际数一数二的水平，很不容易。我们应该向他们学习。”

任聪说，要坚持在超导路上持之以恒地走下去，一是要具备极大的兴趣；二是要敢于在困难面前创新求变、大胆探索。在开展“铁基超导体高压隧道谱研究”前，国际上还没有人想到过要把高压手段放进研究谱型里。任聪问过很多同行，如果他做一个隧道谱，从事这方面的研究是否可行，得到的答案几乎都是否定的。“一个材料做好后，我们总是很小心地想保护它。现在施加压力，不是在破坏它吗？”然而，任聪并不这么看。他说：“试想一堆沙子轻轻一碰就会散，而一粒沙就不会被压坏。也就是说，把尺寸做小了，就不容易被破坏。”

有了这个想法后，任聪马上付诸实践，这才有了今天的国家自然科学基金课题。他说：“科研需要不断去尝试，仅仅是想或者犹豫，有些发现就会被错过。”未来，他希望能够利用高压隧道探测一些超导体的性质，同时，利用高压技术提高超导温度也是他未来工作的一个方向。

有压力才有动力，有梦想才能看见远方。超导路虽然艰辛，然而任聪却用热情与激情坚守着，在风雨兼程中收获喜悦与成功。