越过科研的高山——记山东大学教授张俊杰

倪海波

与2012年诺贝尔物理学奖得主Serge Haroche合影

对于科学家来说，他们的一生要面对无数座科研的高山。那么，如何才能成功地征服一座座高山，而不至于被其阻碍前方的科研道路？对此，山东大学教授张俊杰给出的答案是：必须保持向困难发起挑战的勇气。多年来，他致力于单晶材料的生长、微观结构和物理性能方面的研究，凭借深厚的科研能力和不畏挑战的科研态度，取得了一个又一个令人惊艳的成果。

难忘的会议

如今，当张俊杰再次回忆起多年前的那场会议，依然会感到热血翻涌，他说，未来若有机会再参加一次，他一定能够从中汲取到更多养分。

时钟调拨到2013年的6月30日—7月5日：彼时，德国林岛群星璀璨，汇集了来自世界各地的34位诺贝尔奖获得者和625名青年学者，他们此行皆是来参加第63界诺贝尔奖获得者大会的。在这场会议中，顶级科学家聚集在一起分享各自的科研经历及研究心得，言谈中闪现出的智慧和经验足以让在场的每一位年轻且骄傲的学者心灵受到触动并将其奉为圭臬。

张俊杰便是受邀前来参加此次会议的25名中国博士研究生之一，那时的他刚在山东大学取得博士学位。在攻读博士学位期间，张俊杰师从国家杰青和长江学者陶绪堂教授，取得了一系列成果：发现了α-BaTeMo2O9晶体，首次生长了大尺寸Cs2TeMo3O12和MgTeMoO6晶体，以第一作者在Chem. Mater.、Cryst. Growth Des.等SCI期刊上发表研究论文7篇，合作发表5篇，获得了多项荣誉，包括教育部博士研究生学术新人奖，山东大学校长奖学金和山东省高等学校优秀学生。自身诸多成果的加持，让他成功通过了层层选拔，在林岛与顶级科学家面对面交谈。而那场会议给他带来的震撼与感悟，将深刻影响他的后半生。

那场会议上的震撼是从一张画着狗的漫画开始的：一群高大威猛的狗如人般排成一排，形态几乎全部保持严肃威武，唯有一只羸弱瘦小的狗，在这排猎狗前面委屈无助地走过。这幅漫画隐喻的是因发现准晶体而获得2011年诺贝尔化学奖的以色列科学家丹尼尔·舍特曼在获奖之前的艰苦经历。当年，他的发现轰动了整个学术界，而他本人也受到了当时的权威——两届诺贝尔奖获得者莱纳斯·鲍林的抨击，被迫离开了他所在的阿姆斯国家实验室，处境一度十分艰难。这段经历是丹尼尔·舍特曼在大会报告中亲口讲述出来的。“科研的不易我向来是知道的，但是却没有想到过程中会遭遇这么巨大的挑战与艰辛。”那时，年轻的张俊杰默默告诉自己，无论未来需要面对的挑战有多大，他都必须坚持自己对真理的追求，而真理不一定掌握在权威手中。

全新的挑战

在张俊杰后来追求科研的道路中，他遭遇的挑战不止一次。那次诺贝尔奖获得者会议结束后，他便漂洋过海远赴美国，先后在阿贡国家实验室（2013—2017年）和橡树岭国家实验室（2017—2019年）从事博士后研究工作，主要研究电子强关联氧化物的高压晶体生长、微结构、输运特性、磁性质和电磁关联。与博士时期的研究相比，虽然同属于材料物理领域，然而具体的研究内容却是天差地别，张俊杰相当于重新换了跑道。“在科学研究中，我们要想获得突破，必须去做自己没有做过的事情，去学习自己没有使用过的方法，接受新的挑战。”在张俊杰看来，只有这样才能逐步成为科研领域的强者。

超乎寻常的努力最终使他在关联量子材料领域特别是镍基氧化物研究方面取得了一系列创新性成果。低价层状镍氧化合物La4Ni3O8的半导体-绝缘体相变机理和基态是否是长程磁有序一直是理论和实验研究争论的焦点。张俊杰及合作者采用高压浮区法制备了世界上第一块La4Ni3O10单晶并还原得到了首块La4Ni3O8单晶，采用同步辐射X射线单晶衍射技术发现了电荷条纹相。“电荷条纹相的形成成功解释了半导体-绝缘体相变，但是其基态是否具有磁性仍然是悬而未决的问题。”张俊杰解释道。对此，张俊杰及其合作者对La4Ni3O8进行了单晶中子散射研究，确定其长程磁有序。在电荷条纹相的基础上，得到电荷/自旋条纹相。

发现镍氧化合物具有铜氧化合物中的电荷/自旋条纹相之后，张俊杰再接再厉，继续寻求突破。一直以来，由于超导材料具有零电阻和抗磁性的特点，在无损耗电力传输、产生强磁场、磁悬浮等领域具有重大的应用前景。然而高温超导机理极具挑战性，仍然没有统一的、量化的理论，这不仅阻碍了新的高温超导材料特别是室温超导体的发现，而且限制了人们对整个强关联电子体系的理解以及新一代技术（比如量子计算机）的发展。张俊杰以第一作者和独立通讯作者发表在Nat.Phys.上的工作为寻找新型高温超导材料提供了新的思路。在这项工作中，张俊杰及合作者发现La4Ni3O8具备铜氧化合物的5个重要特征：自旋1/2、大的轨道极化、强p-d轨道杂化、强反铁磁相互作用和存在对称破缺相，但是仍有两点不满足：一是准二维四方晶格在低温被打破；二是基态为绝缘态，不超导。张俊杰及合作者利用化学压力——采用Pr3+取代La3+,首次制备了1/3空穴自掺杂单晶材料Pr4Ni3O8。发现Pr4Ni3O8为金属且具有准二维四方晶格结构、极大的轨道极化和强的p-d轨道杂化等铜基高温超导氧合物的重要特性，因而Pr4Ni3O8是过度掺杂（1/3空穴掺杂浓度）铜氧化合物类似物。通过合适的掺杂，很有可能获得首个镍基高温超导氧化物。

以上工作的发表，引发了人们对低价层状镍氧化合物的强烈兴趣，特别是启发了薄膜材料研究，为薄膜超导电性的发现奠定了基础。

2019年，出于对祖国的思念、个人职业发展规划、对家人的牵挂等多种因素考虑，张俊杰做出了归国的决定。在美国从事博士后研究的6年里，他以一个重换研究领域的学术“新人”身份，一路披荆斩棘，成为世界范围内熟练掌握高压浮区单晶生长技术的、为数不多的专业研究者之一，并在镍基强关联电子氧化物超导类似物等研究方向做出了重要的创新性工作。他认为能取得这样的成绩，除了自己对科研的热爱与付出外，更要感谢在不同阶段帮助自己的几位导师和多位“贵人”，以及当年诺贝尔奖获得者大会上坚持真理追求的那番感悟。“它给了我不畏挑战的底气。”张俊杰笑着回忆道。

在阿贡国家实验室采用高压浮区法生长晶体

更高的目标

作为齐鲁青年学者和泰山青年学者，张俊杰以教授和博士生导师的身份回到母校山东大学从事教学科研工作，并成功入选国家级青年人才项目。关于回国后的研究方向和工作，他给自己定下了具有高挑战难度的目标。目前镍基氧化物单晶生长和超导机理研究是凝聚态物理和材料领域的热点和难点之一，其中单晶制备是基础和关键，也是最困难的一步，目前国际上没有成功的报道。他不仅要尝试生长关联量子材料单晶包括镍氧化合物，研究镍基超导的机理，还要突破高压浮区法晶体生长技术。“这是一台包含着‘卡脖子’技术的高精尖设备，尽管目前不对中国禁运，但长远来说，我们还是应该尽快掌握这种设备的制造技术。”张俊杰说道。因此，他立志结合自己多年来对高压浮区炉的使用经验及国内的制造技术，设计和制造更高压力的浮区炉，实现我国在该设备方面的自主可控和赶超。

当然，张俊杰之所以敢立下这样具有相当难度的科研目标，其底气不仅在于他拥有丰富的经验，还在于他有信心打造出一支具备高精尖研究能力的科研队伍。长期以来，张俊杰和美国阿贡国家实验室、橡树岭国家实验室等实验与理论研究组保持着密切的合作关系，而这些高水平的人才和技术设备资源，将会极大地拓展团队成员的研究视野。

“我希望和我的导师们——陶绪堂教授、John Mitchell博士和Raphael Hermann博士一样，尽心尽力地培养年轻人。”张俊杰说道。同时，他还时常向学生们提起自己在当年诺贝尔奖获得者大会上的收获，“我希望培养他们的不止有分析问题和解决问题的能力，还有面对科研困难的勇气。”张俊杰说道。在他看来，只有两者同时具备，才能越过科研过程中遇到的高山，然后有机会继续去攀登另一座高山。