打造超导学术交流与合作的窗口——超导国家重点实验室

超导电性是指许多材料在低温下电阻完全消失的一种物理现象。超导电性的研究一直是凝聚态物理的重要课题，对基础理论创新和应用技术发展两方面都有着重要的意义。自1911年荷兰物理学家Onnes发现超导电性以来，已经有5次诺贝尔物理学奖授予和超导相关的研究。1986年铜氧化合物超导体的发现，掀起了全球高温超导研究的热潮，中科院物理研究所的科学家在液氮温区高温超导体的发现中做出了杰出的贡献。在此背景下，1987年，国家计委批准在物理所筹建国家超导实验室，1991年4月通过验收，之后列入国家重点实验室管理系列，并正式面向国内外开放。1995年8月，超导国家重点实验室通过第一次评估，获B类第一名；2000年5月，实验室通过第二次评估，被评为优秀(A类)国家重点实验室；2002年1月，实验室被人事部、中国科学院评为“先进集体”；2004年12月，实验室被科技部评为“国家重点实验室计划先进集体”。

实验室现任主任为周兴江研究员，赵忠贤院士担任学术委员会主任。实验室承担着中国科学院、科技部和自然科学基金会等部门多个重大研究项目，已经发展成为具有一定规模和综合实力并具有国际影响力的实验室。

实验室研究成果集粹

超导国家重点实验室的研究涵盖了前沿基础研究和应用基础研究两个方面。研究方向包括新型超导材料的探索、超导机理和相关物理研究，以及薄膜制备和超导薄膜器件应用研究等。实验室现有7个课题组：非常规超导体低能激发和混合态物理性质研究，微纳尺度超导体中物理现象的研究，新超导材料探索和相关机制研究，超导薄膜材料和器件的物理及应用研究，新型超导材料的电子谱学和光谱学研究，通过中子散射研究铁基和铜氧化合物高温超导体在内的强关联材料，利用核磁共振法研究超导功能和机制。

经过多年发展，现在实验室在以下研究中取得了巨大的研究成果：

1.在铜氧化物高温超导中直接观察到费米口袋

实验室在1986年发现了铜氧化物高温超导体，这对凝聚态物理提出了许多根本性而又极具挑战性的重要问题。铜氧化合物高温超导体的母体为反铁磁绝缘体，随着载流子的引入，它逐渐演变为金属和超导体。经研究发现，在掺入少量载流子的欠掺杂区域，高温超导体表现出的一系列奇异的正常态(超导温度Tc以上)性质，明显偏离经典的金属理论：朗道费米液体理论，一个尤为奇异的现象是在欠掺杂区域存在“赝能隙”。在传统超导体中，超导能隙(打开电子对所需要的能量)只有在材料进入超导态(Tc以下)才打开，但在铜氧化物高温超导体的欠掺杂区域，只要在Tc以上的一定温度范围内，尽管材料还没有超导，已经有所谓的赝能隙打开。理解欠掺杂区域的奇异物性，特别是赝能隙的本质及其与超导电性的关系，对理解高温超导机理具有关键的作用。

高温超导体的母体在掺入少量载流子后的欠掺杂区域，费米面应具有什么样的拓扑形状？这是理解高温超导体奇异物性的最基本的问题，也是20多年来在理论和实验两方面一直争议不断的重要问题。在理论上，不同的理论框架对费米面的拓扑形状给出截然不同的预言。如有的认为可能形成大的费米面，有的认为应该形成费米弧 (Fermi a r c)，有的则认为应该形成费米口袋(Fermi pocket)。在实验上，也因不同的实验方法得到不一致的实验结果，如近期的一系列量子振荡实验，表明在欠掺杂样品中可能存在费米口袋；而通过角分辨光电子能谱(ARPES)作为对费米面进行直接测量的实验手段，得到的结果则是支持费米弧的图像。

在这样的背景下，实验室周兴江研究小组，利用超高分辨率的真空紫外激光角分辨光电子能谱，在对铜氧化物高温超导体的电子结构研究中，取得了重要进展。他们在实验上不仅直接观察到了费米口袋的存在，而且还观察到费米口袋和费米弧的共存。该研究结果对理解高温超导体奇异正常态的的性质，检验和建立新的理论，具有重要的推动作用。相关结果发表在2009年11月19日出版的Nature上，在超导领域引起强烈反响，并且，相关工作还得到了科学院、基金委和科技部项目的资助。

2.利用比热手段证明氧化物超导体正常态存在电子库柏对

氧化物高温超导体的配对机理问题至今仍然是个未解之谜。对于一般超导体，由于电子的配对和凝聚，超导态均具有一个能隙，它很好地保护超导凝聚态在有限温度下的超流特性，从而出现零电阻和抗磁行为。与常规超导体不同，氧化物超导体，尤其是欠掺杂样品在远高于超导转变温度时，已经出现了被称作为赝能隙的能隙，但是宏观超导特性则在一个较低温度时才出现。因此，这就激发了很多机理模型的产生。在众多模型中，一大类把赝能隙与超导隔离开来，认为赝能隙只是由于某些有序相，如电荷密度波序，与超导相竞争费米面上的态密度，因此，超导转变仍然满足1957年Bardeen-Cooper-Schrieffer（BCS）所提出的基本图像。而与之相对立的图像则认为赝能隙对应着与电子配对强度相关的能量尺度，超导转变温度之上有预配好的库柏对。由于超流电子浓度太稀薄，因而超导温度不是由配对强度所决定，而是由于相位刚度(phase stiffness)决定，超导转变是非BCS型的。此前，部分实验已经指出，在超导转变温度之上，可能存在强的涨落超导电性，如能斯特实验等。但是，这些有关超导预配对的结论一直没有得到反映体性质的熵守恒实验的证明。

最近几年来，实验室研究人员、物理所SC1小组闻海虎等人深入研究非常规超导体的低能准粒子激发性质。为了完成研究工作，他们坚持氧化物高温超导单晶的制备，获得了系列掺杂的高质量氧化物超导体单晶Bi2Sr2-xLaxCuO6，并开展了系统的研究工作；另外，他们在现有商用仪器基础上，不断革新，在克服了诸多技术问题后，在比热测量精度和降低系统误差方面获得了重要进展，达到了对实验精度的要求。在这两个条件基础上，他们还在Bi2Sr2-xLaxCuO6单晶上成功测量出与超导相关的熵的变化，第一次从熵的角度，证明欠掺杂的氧化物超导体不满足BCS物理图像：在正常态已经有部分电子库柏对存在，而超导转变则对应相位相干特性的建立。这项研究工作从熵的角度说明，氧化物超导体的超导凝聚过程是非BCS型的。即便正常态是费米弧或者费米口袋金属态，即所谓的小费米面金属态，在超导转变温度以下，可能在这些小费米面上有超导能隙重新打开，而不能把它简单看成是一个BCS型超导相变。

3.研制出国际首台真空紫外激光角分辨光电子能谱仪

目前光电子能谱采用的光源绝大部分是同步辐射光源，少量采用气体放电光源。实验室周兴江研究小组和其它研究组合作，采用真空紫外激光作为光源，成功研制了国际上第一台真空紫外激光角分辨光电子能谱仪。

除此之外，实验室目前正在展开超导Pb薄膜垂直临界磁场的量子尺寸效应研究。

向建设国际一流实验室迈进

超导国家重点实验室是我国超导研究的重要基地，也是国际国内超导学术合作与交流的重要窗口。实验室承担着中国科学院、科技部和自然科学基金会等部门多个重大研究项目。目前，实验室在实验条件、研究水准、人才引进和培养等各个层面得到显著提高，已经发展成为具有一定规模和综合实力并具有国际影响力的实验室。自成立到现在，超导国家重点实验室在高质量超导单晶制备、磁通动力学和机理问题研究中做出国际水准的工作。2008年新型铁基高温超导体的发现，掀起了高温超导研究的另一波高潮，超导国家重点实验室在新型铁基超导材料的发现以及相关的物性研究中，做出了举世瞩目的贡献。

超导国家重点实验室非常重视人才引进、培养和队伍建设，并拥有一支优秀的、结构合理的研究队伍。目前有研究员16人，其中有中科院院士1人，国家“千人计划”2人，中科院“百人计划”5人，“国家杰出青年基金”获得者2人。同时实验室更有一批工作在第一线的年轻人和研究生，他们思维活跃，睿智进取，给实验室带来生机和活力。由超导国家重点实验室培养的一批优秀的年轻人才，目前遍及世界各地的重要科研机构。

超导国家重点实验室正在进一步凝练学科方向，优化人员结构，延揽优秀人才，发展尖端独特的实验研究技术，努力开展原创性的研究；同时与国际和国内著名的研究机构进行长期、务实和富有成效的合作，努力将超导国家重点实验室建成国际一流实验室，为今后取得新的重大突破奠定基础。