中国“超导军团”新生代: 在基础研究“冷板凳”上快乐科研
时间: 2017-07-13 来源:《千人》杂志
提要:“一方面是继续探索新型的高温超导体系。薛其坤老师在这个方向上有很多颠覆性的想法,我受他的指点在博士期间已经发现了一些界面超导增强的体系。这些体系是最近几年物理研究的绝对热点。沿着这个思路,我们会充分发挥在材料制备上的先进性,争取发现高于77K的新型超导体。”

中国“超导军团”新生代: 在基础研究“冷板凳”上快乐科研

 

文/本刊记者 吴喻

超导体,何方神圣?

本期科学家——第十三批国家“千人计划”青年项目入选者、清华大学助理教授李渭介绍道:

“所谓超导,就是超级导电,是指电流在导体中无阻碍的运动。没有电阻就意味着电流传输中没有发热和能耗,这是一个神奇的量子效应。如果可以把这一效应用于日常生活,那绝对意味着一场新的科技革命。超导电性一般都对应一个特征温度,也就是说只有低于某一个温度,超导电性才会发生。一般金属的这一特征温度都接近绝对零度,肯定无法应用于日常。因此,如何提高这个温度就是人们最关心的问题。”

正如李渭所言,相较半导体在现代社会的广泛应用,超导体由于目前仍难以制造室温甚至室温以上的超导材料而未被大众广泛认知。但因超导体具有零电阻、完全抗磁性等特点,能够无损耗传输电能,在信息通讯、能源存储、交通运输等领域均有重大的应用前景,受到全球科学家的关注。

放眼全球,在超导研究的百年历史里,已有十人共获五次诺贝尔奖。就我国而言,赵忠贤、陈仙辉、王楠林、闻海虎、方忠为代表的铁基高温超导研发团队于2014年荣获国家自然科学奖一等奖,在此之前,此奖项已空缺三年。

相关业者荣获诸多奖项,超导领域的重要性可见一斑。

在超导领域,中国军团披荆斩棘不断获得突破,引发世界瞩目。除了上述领军先驱,中国新生代也在该领域做出不少重要成果,以期在未来“超导时代”为中国抢占先机,而本期专访嘉宾李渭博士正是从事该领域的前沿研究。

“学好数理化,走遍天下都不怕”

2001年,成绩优异的李渭被清华大学录取。时至今日,当年的场景李渭仍记忆犹新:“得知被清华大学录取,我的感觉是如释重负。因为我在高二的时候,人生目标就是考取清华大学。当时真是‘年少无知’或者说单纯,我不止一次跟别人分享或是宣传了这一目标。结果就是,‘考取清华大学’的口号和我本人照片一起被挂在学校的展板上,持续了一年。每次路过展板我都非常紧张和尴尬,直到我真正拿到清华的录取通知书。”

由于清华雄厚的师资力量与教学水平,成为莘莘学子心中的最高学府。不同于众多“状元”、学霸们对管理学、计算机、经济学等热门专业的热衷,李渭决定报考物理系。说到报考的原因,李渭表示受到了父辈们“学好数理化,走遍天下都不怕”思想的影响。这不禁让人想到上世纪八、九十年代,在“科学技术是第一生产力”的时代背景下,我国对科技发展高度重视,“学好数理化,走遍天下都不怕”的观点被众多家长与学生所牢记。

对于这个选择,李渭说:“现在看来,非常正确。在物理学习中建立的严密逻辑思维能力,获得的学习问题、解决问题的方法,对于以后漫长人生过程中,从事的任何职业都是极其宝贵的财富。我们本科物理班的同学,毕业后的去向五花八门,但几乎每个人在各自的新领域都做得非常好,我觉得这就是物理思维训练的好处。”

在清华这样一个新环境里,李渭笑称:“入学后,我周围全是学霸,他们沉迷于美妙的理论不可自拔。而我比较笨,更加喜欢实验物理。”有一点让李渭觉得很幸运,“对于我这种天赋没那么好的人而言,在我们所处的时间节点上,物理科学的发展很大程度上是依靠实验推动的。我性格里面善于把握细节的特点就在做实验的过程里渐渐突显出来。”

“宗师”助阵,撕破“乾坤一气袋”

虽然李渭谦虚的表示自己“比较笨”,但认真严谨、注重细节的学习作风让他取得了优异的成绩,也进一步坚定了李渭在物理领域继续钻研的决心。更让李渭庆幸的是,我国著名科学家、中国科学院院士薛其坤成为他读博的导师。对此,李渭认为薛其坤教授对其科研精神的塑造起到了决定性的作用。

谈及自己的老师,李渭说:“薛老师的物理直觉非常敏锐,他对科研方向的把握有着独一无二的天赋;同时他又极其严谨、追求极致,并且永远精力充沛。对于一般人而言,如果具备这些品质中的一点,在各自的领域就一定能够成功。而薛老师却把这些优点全部集于一身,这就是他在当今凝聚态物理领域,在国际上真正开辟并引领界面超导和量子反常霍尔效应这两个方向的原因。”

一所优秀大学就有着这样的魅力:在清华,顶尖的老师遇上好学的学生,迸发出无限的科研“火花”,不断推动着彼此的成长。在此期间,李渭有多篇重要论文在国际顶尖期刊发表。对于自己的科研成绩,李渭感恩导师,感恩母校。李渭说:“清华带给我最大的收获是行胜于言与严谨求实。严谨和求实是科学研究中必备的品质,任何一个环节出现问题都会让科研走偏。清华培养的学生大都勤恳、实干,这对于我从事的凝聚态实验物理也是非常重要的素质。”

在清华和薛其坤教授的双重引领下,李渭打下了扎实的科研基础,也获得了斯坦福大学沈志勋教授的青睐。李渭笑道:“沈志勋老师在凝聚态领域极富盛名,在大家心目中是一代宗师,培养了非常多的国际知名教授。拿到沈老师的offer,与我当初考上清华一样欣喜若狂。”

作为两位名师的高徒,李渭指出:“沈志勋教授研究组独有的开放的科研文化,与我在薛其坤教授研究组获得科研积累或者说是习惯,相辅相成。于我而言,这两种文化产生了奇妙的相互作用,也最终使我对于科研的感觉达到了一个升华。”

科研感觉的升华是“虚无”的,看不见也摸不着,但却让李渭内心无比的踏实,相信自己能做出一番成绩。2015年底,李渭正式回国,他表示:“在那一时期,我对于自己科研的方向和科研的眼界异常的清晰,有点像张无忌从‘乾坤一气袋’中破身而出的感觉。”

瞄准高温超导体浪潮前沿

“乾坤一气袋”破身而出的李渭,凭借着出众的“武艺”,仅2016年就发表多篇关于铁基超导体的重要论文。谈及铁基超导体,李渭认为必须科普下先它一步被发现的“老大哥”——铜基超导体。“在上世纪八十年代,人们发现了一类超导温度高于氮气液化温度(77K)的新型超导体。这类材料有个共性,都包含有铜-氧层,因此被称为铜基高温超导体。我们空气中大量含有氮气,可以想像获得液体氮的成本较为低廉,人们也因此看到了超导应用的曙光。这也使得对铜基超导的研究形成了一个热潮。几十年间,最聪明的理论物理学家、实验物理学家和材料科学家都加入了这一研究。然而,由于这类材料类似陶瓷,极难加工,制约了其在应用上的发展。而在理论研究方面,无数科学家试图揭示这类材料高温超导的奥秘,却未取得最终的结论。”

高温超导的奥秘让无数科学家们着迷,人们急需寻找新的模版或者例子,来检验理论所提出的模型。李渭研究的铁基超导体就是在这样一个大背景下,于2008年被发现。李渭告诉记者,铁基超导体是相对铜基超导体而言,因为这类材料都含有铁。铁基超导体的超导转变的温度也有可能突破77K。与铜基高温超导体类似,这个体系里面也含有丰富的有序态。

复杂的物理世界让人眼花缭乱,李渭却能从中感受到趣味性。

“铁基超导体里面围绕磁性、电荷密度波、结构相变、电子态的各项异性以及超导等等,表现出许多有趣的性质。研究高温超导的成因,并指导新的具有更高超导转变温度材料的探索,这正是我们对这一类材料感兴趣的原因。”

正如朗费罗在《生命颂》所说:不断去收获,不断去追求,永远学习苦干和等待。李渭性格里的细致和耐心让他在研究领域不断取得突破,在接受本刊采访之际,李渭刚有一个关于铁基超导体的研究工作被《Nature Physics》接收。李渭和团队成员首次在铁基超导材料里观测到条纹相,该相作为一个新的基态,对研究高温超导配对机制有着重要的指导意义。

虽已取得一定成绩,但李渭强调自己仍将在该领域不断探索。对于未来,李渭已有了具体的规划:“一方面是继续探索新型的高温超导体系。薛其坤老师在这个方向上有很多颠覆性的想法,我受他的指点在博士期间已经发现了一些界面超导增强的体系。这些体系是最近几年物理研究的绝对热点。沿着这个思路,我们会充分发挥在材料制备上的先进性,争取发现高于77K的新型超导体。”

除此之外,李渭说道:“另一方面,我也要继续高温超导机理的探索研究。博士的研究经历,使得我对于电子在实空间的运行有了非常好的物理图像;而在斯坦福博士后的经历,使得我对于电子在动量空间的行为有了更深刻的理解。先进的材料,加上对于电子在全空间的深刻理解,我相信自己会在这一块作出重要工作。”

让科学家“体面生活”、“快乐科研”

科研工作往往具有大量的重复性,需要科研人员查看大量的文献,分析实验数据。除此之外,科研人员还要忍受失败、失落与孤独。在承担这一切的同时,众多年轻科研工作者还面临着生活的窘境。

近几年,明星们的“天价婚礼”层出不穷,引发民众对明星收入的热议,而科学家们的“清贫”生活被拿出来当做最有力的武器向这一现象开炮。对此,李渭认为:“怎样让科学工作者体面的生活并快乐的科研,而不是疲于养家为生计担忧?这是一个非常大的命题。就算在我国经济水平飞速发展、对科研的投入力度持续增加的大背景下,这也是不可回避的问题。我想,培养一批科学的明星,在年轻人当中、在社会上重新树立崇尚科学的精神,是非常紧迫的。”

薛其坤教授也曾表示:“我愿意期待将来某一天,做科研也能成为年轻人的偶像。它不再是和贫困、枯燥挂钩。你不能让一个人饭都吃不饱,而去奋不顾身地参与科研。这个世界上的偶像有很多种,不一定非要是唱歌、演戏,每个职业都能成为偶像,年轻人对偶像的崇拜,也可以变得多元化,科学家,也能有光彩。”

李渭这一言论主要针对此种现象:高考季,众多学生面临着学校与专业上的抉择。对于很多家庭来说,即使孩子对基础学科有一定兴趣,但是出于就业的考虑仍然会让子女就读MBA、计算机应用、金融等专业。

对于这些孩子,李渭分享了自己的看法:“现在的孩子要比我们幸运的多,无论是物质生活,还是在受教育上。我现在的博士生就非常的多才多艺,对于事物独立的思考的能力比我们当时要好得多。而具体到更年轻的这一代正要参加高考的孩子们,我觉得他们经历的世界与我们完全不同,具有更多的可能性。而高考,已不再是千军万马过独木桥的唯一选择,他们的生活必将更加多元化。”

 


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