作者:薛其坤 来源: 中国科学报 发布时间:2023/9/13 8:22:40
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在挑战高温超导“百年难题”中守正创新

 

薛其坤

物理学有两个非常重要的领域——拓扑量子物理和高温超导。2013年,我在清华大学时带领研究团队发现了拓扑物质中的量子反常霍尔效应。

超导和高温超导领域是百余年来物理学家持续关注的领域。荷兰物理学家卡末林·昂内斯于1911年最早发现了超导零电阻现象,两年后因此获得诺贝尔物理学奖。在过去的100多年里,超导领域先后有5次、七八位科学家获得诺贝尔物理学奖。

超导和超导现象的研究,推动了人类对自然界特别是电阻传输方面规律的深刻理解,这也是人们持续关注的原因。

在超导领域,一个非常重要的研究方向就是不断提升产生超导现象的温度。昂内斯最早发现超导时,实现温度是在液氦4K——约零下270摄氏度左右,温度非常低。不仅如此,液氦稀缺且昂贵,现在约200元/升。而液氮很便宜,相当于矿泉水的价格。如果把超导实现温度提升到77K,也就是液氮温度下的零下200摄氏度左右,就非常可观了,因为人们得到零电阻的成本降低了很多。

当然,人类最大的梦想就是在室温下实现超导。如果真能实现,输电线路就再也不会因电流发热导致能耗巨大,很多电器也会因为室温超导的应用,大幅度降低能耗。电影《阿凡达》中悬浮的山,实际上就是室温超导现象。所以室温超导带给人们非常多的想象,但它现在只存在于科幻电影中。

1986年,两位瑞士科学家在铜氧化物中发现了高温超导现象,即在液氮中实现了超导现象。他们在此后第二年就获得了诺贝尔物理学奖,这是最快获得诺贝尔物理学奖的研究工作,引起了非常大的反响。

近40年过去了,人们关于“为什么不是金属的铜氧化物会出现高温超导现象”的探讨还在继续,这也成为物理学领域至今悬而未决的世纪难题。至少有14位诺贝尔奖获得者和成千上万的研究者,都提出了自己的理论和方案——大多数声称是非常规的或奇特的,但常常相互矛盾。

在解决这一问题的过程中,有个重要问题就是超导配对的对称性——各向同性和各向异性。传统认为,铜氧化物高温超导是各向异性配对的——在不同方向,它的波函数在物理学上的基本量是不同的,这是高温超导研究中的一个主流认识。

但经过大量阅读后我们发现,非常规的铜氧化物高温超导或许可以用传统的超导理论来解释:也许高温超导并不是那么“非常规”,而是一种正常的超导现象。

基于这样的想法,2012年,我们发现了单层铁硒与钛酸锶衬底结合而衍生出的界面高温超导。虽然温度只是接近、并未达到液氮温区,但综合多个物理参数的推测来看,这是一种新的高温超导体系。它的关键之处是在非常简单的体系中发现的高温超导现象,不是各向异性的对称结果,而是一个简单的各向同性的对称结果。

这个发现挑战了主流观点。2021年我们发表了一篇论文,提出铜氧化物高温超导的对称性是各向同性——是一个球形状态,而不是大家认为的棒槌形状态。这项工作从投稿到发表用了很长时间,尤其在这个过程中,学生制备了上千个具有原子级平整界面的高质量约瑟夫森结。也就是说,我们是在最高水平、最高质量的结构器件上得到的不同于主流的观点。

在这样的世界难题面前,我们提出了与主流共识相悖的观点,这是很难的。10多年来我们一直坚持这一观点。现在,南方科技大学和清华大学共有6位青年教授带着20多名研究生,使用世界上最先进的仪器设备,通过最高要求的材料、器件质量控制,用最高的实验技术水平在做,希望证实我们的观点。即使最后证明我们是错的,也没有关系,因为用最可靠的实验把一个科学难题的解决推进一步,作用是巨大的。

所以,要挑战世界性科学难题,我认为除了需要高超的实验技术、扎实的理论功底,还要勇于质疑共识或主流观点,并通过深度思考、仔细研究和充分论证,提出自己的观点。这是批判精神中非常重要的一点。

当然,这种坚持对于有毕业压力的学生和要证明自己的“青椒”而言,非常不易。我想,我们这些年长的科学家,首先要引导他们练好基本功、培养创新能力,使其敢于挑战难题,同时通过营造健康的学术环境,让大家能够安心科研,敢于做有难度、真正有创新性的工作。

(作者系中国科学院院士,本报记者赵广立根据其在“科学与中国”院士专家巡讲活动中的报告整理)

《中国科学报》 (2023-09-13 第1版 要闻)
 
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