中國(guó)新超導(dǎo)技術(shù)走在世界最前沿

                                                                  ——訪中國(guó)科技大學(xué)教授陳仙輝

        超導(dǎo)技術(shù)具有廣闊的發(fā)展前景，目前在很多領(lǐng)域都有應(yīng)用，比如通信技術(shù)、磁懸浮技術(shù)以及醫(yī)院里的核磁共振等。據(jù)估計(jì)，超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用全球市場(chǎng)達(dá)到幾百億美元。2009年3月25日和26日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)陳仙輝教授和物理所王楠林教授分別獨(dú)立發(fā)現(xiàn)超過(guò)40K的超導(dǎo)體。這一成果將中國(guó)新超導(dǎo)技術(shù)推到世界最前沿。近日，本刊記者采訪了陳仙輝教授，陳教授向記者講述了這一重大發(fā)現(xiàn)的過(guò)程和他的科研感受。

                               經(jīng)典超導(dǎo)理論受到挑戰(zhàn)

        據(jù)陳仙輝介紹，傳統(tǒng)上，描述超導(dǎo)體的標(biāo)準(zhǔn)理論是BCS理論。根據(jù)這個(gè)理論，存在所謂的“麥克米蘭極限”，即超導(dǎo)最高的轉(zhuǎn)變溫度為39K。
        BCS理論是解釋常規(guī)超導(dǎo)體的超導(dǎo)電性的微觀理論。該理論以其發(fā)明者—3位美國(guó)科學(xué)家J.Bardeen、L.V.Cooper和J.R.Schrieffer的名字命名。超導(dǎo)現(xiàn)象于1911年發(fā)現(xiàn)，但直到1957年，J.Bardeen、L.V.Cooper和J.R.Schrieffer才提出BCS理論，其微觀機(jī)理才得到一個(gè)令人滿意的解釋。這一理論把超導(dǎo)現(xiàn)象看作一種宏觀量子效應(yīng)。它提出，金屬中自旋和動(dòng)量相反的電子可以配對(duì)形成所謂的“Cooper對(duì)”，“Cooper對(duì)”在晶格當(dāng)中可以無(wú)損耗地運(yùn)動(dòng)，形成超導(dǎo)電流。
        電子間的直接相互作用是相互排斥的庫(kù)侖力。如果僅僅存在庫(kù)侖直接作用的話，電子不能形成配對(duì)。但電子間還存在以晶格振動(dòng)（聲子）為媒介的間接相互作用。電子間的這種相互作用是相互吸引的，正是這種吸引作用導(dǎo)致了“Cooper對(duì)”的產(chǎn)生。其機(jī)理是：電子在晶格中移動(dòng)時(shí)會(huì)吸引鄰近格點(diǎn)上的正電荷，導(dǎo)致格點(diǎn)的局部畸變，形成一個(gè)局域的高正電荷區(qū)。這個(gè)局域的高正電荷區(qū)會(huì)吸引自旋相反的電子，和原來(lái)的電子以一定的結(jié)合能相結(jié)合配對(duì)。在很低的溫度下，這個(gè)結(jié)合可能高于晶格原子振動(dòng)的能量。這樣，電子對(duì)將不會(huì)和晶格發(fā)生能量交換，也就沒(méi)有電阻，形成所謂“超導(dǎo)”。
        J.Bardeen、L.V.Cooper和J.R.Schrieffer因提出超導(dǎo)電性的BCS理論而獲得1972年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。然而，有關(guān)研究表明，陳仙輝等制備出的用Sm替代La后發(fā)現(xiàn)，SmO1-xFxFeAs體系表現(xiàn)的高溫超導(dǎo)電性明顯不符合BCS理論。不管他們是如何實(shí)現(xiàn)的，以實(shí)現(xiàn)室溫超導(dǎo)體為終極目標(biāo)的競(jìng)賽正在進(jìn)行中。

                                 突破“麥克米蘭極限”

        在超導(dǎo)體被發(fā)現(xiàn)后的80年間，超導(dǎo)現(xiàn)象出現(xiàn)的最高溫度一直在20K左右。高溫銅氧化合物的最高超導(dǎo)溫度達(dá)到了135K，一度給人們帶來(lái)了巨大的驚喜。但是經(jīng)過(guò)20多年的深入研究，其機(jī)理仍未解決。隨后，除銅氧化合物外的第二類高溫超導(dǎo)體被發(fā)現(xiàn)，這就是新的層狀鐵基磷族化合物。這對(duì)高溫超導(dǎo)電性機(jī)理的理解非常有意義。在這個(gè)新的系列化合物超導(dǎo)體中，日本科學(xué)家通過(guò)氟對(duì)氧的部分取代，發(fā)現(xiàn)了La[O1-xFx]FeAs超導(dǎo)體，其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度為26K，這個(gè)溫度低于“麥克米蘭極限”(39K)，因此，并不能說(shuō)明這類超導(dǎo)體為高溫超導(dǎo)體。陳仙輝認(rèn)為，如這類材料的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度不能超過(guò)40K的話，就不會(huì)有很大的意義。
        陳仙輝率領(lǐng)科研團(tuán)隊(duì)積極開(kāi)展工作。幸運(yùn)的是，陳仙輝小組發(fā)現(xiàn)的Sm化合物的超導(dǎo)體SmFeAsO1-xFx(x=0.15)，其轉(zhuǎn)變溫度在常壓下可以達(dá)到43K，證明了這類超導(dǎo)體是除銅氧化合物高溫超導(dǎo)體外的又一高溫超導(dǎo)體家族。這類超導(dǎo)體是由鐵砷層和釤氧層交替堆砌而成，并且當(dāng)20%的氧離子被氟離子取代后，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度達(dá)到50多開(kāi)爾文。在Fe2As2層中，鐵離子被砷離子形成的四面體包圍，且被認(rèn)為是電流無(wú)阻流過(guò)的通道。這就真正突破了“麥克米蘭極限”。
        陳仙輝小組用Sm替代La后，發(fā)現(xiàn)SmO1-xFxFeAs的超導(dǎo)臨界溫度比日本實(shí)驗(yàn)組所報(bào)道的材料高了將近20K。他認(rèn)為，小的離子半徑會(huì)導(dǎo)致FeAs中的化學(xué)壓力，這將會(huì)進(jìn)一步提高超導(dǎo)臨界溫度。在未來(lái)更加深入的研究中，很有可能發(fā)現(xiàn)更新的超導(dǎo)體。

                                                    激烈競(jìng)爭(zhēng) 把握先機(jī)

        今年3月24日，實(shí)驗(yàn)室學(xué)生在電阻測(cè)量中觀察到了40K超導(dǎo)轉(zhuǎn)變現(xiàn)象。陳仙輝立刻意識(shí)到，這是一個(gè)重要進(jìn)展。他與學(xué)生們一起實(shí)驗(yàn)，利用學(xué)校的一切資源證明觀察到的現(xiàn)象是可重復(fù)的。在確定超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度高于40K后，他們開(kāi)始分析數(shù)據(jù)、寫作論文。
        陳仙輝說(shuō)，國(guó)際上，超導(dǎo)研究表面看來(lái)進(jìn)展緩慢，但競(jìng)爭(zhēng)十分激烈，幾乎每周都有新的論文發(fā)表，每天至少有幾篇文章貼在網(wǎng)上。大家都十分關(guān)注研究進(jìn)展，因?yàn)橐坏┩黄?，?yīng)用前景將很快顯現(xiàn)。
        有一次，他們實(shí)驗(yàn)室在研究一種材料BaFe2As2（結(jié)構(gòu)為一個(gè)晶體單胞兩層FeAs面）時(shí)，他們的發(fā)現(xiàn)實(shí)際上比德國(guó)科學(xué)家早，但為了獲得超導(dǎo)電性，一直沒(méi)有報(bào)道。雖然制備材料的思路和方法以及材料的組分都一模一樣，但由于在制備過(guò)程中，燒結(jié)的溫度沒(méi)把握好，沒(méi)有成功獲得超導(dǎo)電性，論文也就沒(méi)有及時(shí)寫出來(lái)。結(jié)果，德國(guó)人先發(fā)表了論文，他們失去了機(jī)會(huì)。
        陳仙輝說(shuō)，受合肥地域的限制，也容易喪失機(jī)會(huì)。他們實(shí)驗(yàn)室曾想做一種新材料，所需要的一種元素在合肥無(wú)法購(gòu)買，他們就從上海訂購(gòu)，但這種元素沒(méi)有及時(shí)到貨，耽誤了兩周時(shí)間，論文再次推后寫作。而當(dāng)實(shí)驗(yàn)室做完實(shí)驗(yàn)，其他國(guó)家已經(jīng)發(fā)表了文章，又失去了一次機(jī)會(huì)。
        這次，陳仙輝和他的團(tuán)隊(duì)把握住了先機(jī)。
        陳仙輝說(shuō)：“我們的研究工作顯然得到了國(guó)際同行的廣泛關(guān)注，表明中國(guó)人有能力參與這樣的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)。這并不是說(shuō)其他國(guó)家的科學(xué)家沒(méi)有意識(shí)到這個(gè)機(jī)會(huì)，只是中國(guó)科學(xué)家做出了最快反應(yīng)?！?BR>        許多科學(xué)家評(píng)論，中國(guó)如洪流般不斷涌現(xiàn)的研究結(jié)果標(biāo)志著在凝聚態(tài)物理領(lǐng)域，中國(guó)已經(jīng)成為一個(gè)強(qiáng)國(guó)。4月25日出版的美國(guó)《科學(xué)》雜志對(duì)我國(guó)的超導(dǎo)研究發(fā)表了毫不吝嗇的贊美，這其中當(dāng)然少不了陳仙輝的工作。
        為了盡快做出研究結(jié)果，從2月19日到3月25日，陳仙輝的研究小組一直處于滿負(fù)荷的工作狀態(tài)。陳仙輝說(shuō)，平時(shí)弄到11點(diǎn)的話，這段時(shí)間可能到12點(diǎn)。他認(rèn)為，主要靠的是長(zhǎng)年工作和實(shí)驗(yàn)的積累，如果沒(méi)有大量的積累，就不可能敏銳地捕捉到有效的信息，也不可能這么快就有成果。
        對(duì)陳仙輝來(lái)說(shuō)，沒(méi)有上下班之分，沒(méi)有工作日和周末之分，每天滿負(fù)荷的工作早已成為“常態(tài)”。如果學(xué)生做實(shí)驗(yàn)有什么發(fā)現(xiàn)，即使是深夜，他也會(huì)興奮地跑到實(shí)驗(yàn)室來(lái)。

                              總有驚喜在等著我

        談起自己的研究經(jīng)歷，陳仙輝說(shuō)：“作為超導(dǎo)的研究者，我覺(jué)得自己很幸運(yùn)，因?yàn)槲亿s上了上世紀(jì)80年代和最近超導(dǎo)領(lǐng)域的兩次高潮?！?986年，高溫超導(dǎo)體的研究取得了重大的突破。掀起了以研究金屬氧化物陶瓷材料為對(duì)象、以尋找高臨界溫度超導(dǎo)體為目標(biāo)的“超導(dǎo)熱”。全世界有260多個(gè)實(shí)驗(yàn)小組參加了這場(chǎng)競(jìng)賽?！爱?dāng)時(shí)我還是研究生，既在化學(xué)系做材料方面的實(shí)驗(yàn)，又師從吳杭生院士學(xué)習(xí)物理的超導(dǎo)理論，兩方面的背景使我自然而然地選擇了研究高溫超導(dǎo)的方向。”
        陳仙輝說(shuō)：“在超導(dǎo)領(lǐng)域搞研究，我可以自由支配時(shí)間，做任意想做的事，不斷地迎接意想不到的結(jié)果。因?yàn)榈浆F(xiàn)在，高溫超導(dǎo)的機(jī)理依然不是很清楚，而其中蘊(yùn)含了很多新的物理現(xiàn)象。這些現(xiàn)象是BCS理論（解釋常規(guī)超導(dǎo)體的超導(dǎo)電性的微觀理論）無(wú)法解釋的，這就需要新的理論來(lái)支撐。我覺(jué)得總有驚喜在等我?！?/P>

                             激情  積累  堅(jiān)持  自信

        在談到一個(gè)科學(xué)家需要具備的特質(zhì)時(shí)，陳仙輝列出了4個(gè)關(guān)鍵詞：激情、積累、堅(jiān)持、自信。
        他說(shuō)：“我的導(dǎo)師吳杭生院士對(duì)我的影響非常大，吳老師腳踏實(shí)地、低調(diào)做人的處世方式，實(shí)事求是、精益求精的科研態(tài)度，始終是我的榜樣。當(dāng)年我做博士論文的時(shí)候，吳老師腿腳不太好，就請(qǐng)師母帶信給我約時(shí)間討論修改，而每次修改，都認(rèn)真到逐字逐句的地步?！?BR>        陳仙輝的一個(gè)學(xué)生說(shuō)：“我從陳老師身上學(xué)到的最可貴的東西就是堅(jiān)持?；A(chǔ)研究是非常枯燥的，在我們懈怠的時(shí)候，卻看到陳老師還在忙碌，于是我們的熱情又再一次被激發(fā)起來(lái)?！?BR>        陳仙輝說(shuō)：“我明顯地感覺(jué)到，現(xiàn)在國(guó)力增強(qiáng)了，我們的工作得到了很多部委有力的支持，實(shí)驗(yàn)條件也有了很大的改善，越來(lái)越多在國(guó)外做研究的同行選擇了回國(guó)，我們這個(gè)圈子的研討氛圍非常好。我自己也想把握好這個(gè)契機(jī)，做出溫度更高的超導(dǎo)材料，在能源日益缺乏的今天，為節(jié)能做些事?！?BR>