在基础研究的道路上默默长跑

——记2014年度何梁何利基金科学与技术成就奖得主赵忠贤和薛其坤

来源:科技日报 2014-10-31 邵红宇 任晓明

  2014年10月29日,何梁何利基金2014年度颁奖大会暨基金成立20华诞在京举行,其中,“含金量”最高的科技大奖——“科学与技术成就奖”由我国著名超导专家赵忠贤院士和著名实验物理专家薛其坤院士共同摘得。两位基础科学领域巨擘,在创新的道路上究竟走出了怎样的人生轨迹?

赵忠贤:50年如一日倾情高温超导

  55年前,当年轻的赵忠贤孤身一人背起行囊来到北京的时候,中国的超导研究还刚刚起步,高温超导更是天方夜谭。今天,这位古稀之年的老人身边已经凝聚了一支世界领先的中国高温超导研究队伍,并把中国这方面的研究推向了世界前列,正在引领向高温超导的第三次突破征途中昂首迈进。

  赵忠贤1964年从中国科技大学毕业分配到中国科学院物理研究所,1991年当选为中国科学院院士,他50年如一日,淡泊名利,持之以恒坚持工作在科研一线,把毕生精力奉献给高温超导研究,上个世纪70年代,赵忠贤等一批年轻学生和学者被派往国外学习, 接触到了世界超导研究最前沿。1975年回国后,他提出要探索高临界温度超导体(简称“高温超导体”)。所谓“高温超导体”,是指临界温度在40K以上的超导体。麦克米兰根据1972年诺贝尔奖的BCS理论计算,认为超导临界温度不大可能超过40K,他的计算得到了国际学术界的普遍认同,40K也因此被称作“麦克米兰极限”。赵忠贤则对当时国际广泛认同的由经典理论推导出的麦克米兰极限提出了挑战。1977年,他在《物理》上撰文指出结构不稳定性又不产生结构相变可以使超导临界温度达到40—55K,经过长时间的实验探索,科学总结升华到理论,进一步提出复杂结构和新机制在某些情况下甚至可以达到80K。

  上世纪80年代,赵忠贤在科研条件极其简陋的情况下开始研究铜氧化合物超导体,在镧-钡-铜-氧体系中突破了麦克米兰极限,获得了40K以上的高温超导体。由于当时国内工业基础薄弱,无法获取高纯度的实验样品,所用的实验样品杂质很多,赵忠贤最早注意到杂质对超导实验结果的影响,判断一些杂质对超导发挥了作用,敏锐地发现了70K的超导迹象。在这样的理论指导下,他于是主动“引入杂质”,反复实验、筛选、测试、验证,最终确定了“在钡基、多相的体系中、用钇取代镧”的方案并得以实施。1987年2月19日深夜,在钇—钡—铜—氧中发现了临界温度93K的液氮温区超导体,实现了超导研究第一次突破,在世界上刮起了一阵液氮温区超导体的旋风。1987年,赵忠贤作为五位特邀报告人之一,参加了美国物理学会三月会议。该会议标志着中国物理学家走上了世界高温超导研究的舞台。

  在1987年的辉煌之后,赵忠贤又甘坐冷板凳,一门心思扑进实验室里,潜心研究20年,终于带领中国团队再次引领世界热潮。

  新世纪以来,赵忠贤提出“在具有多种相互作用的四方层状结构的系统中会有高温超导电性”的新思路,认识到这一类铁砷化合物(后来被称作“铁基超导体”)很可能是新的高温超导体,之后又提出了高温高压合成结合轻稀土元素替代的方案,带领团队很快将铁基超导体的临界温度提高到50K以上,创造了55K的纪录并保持至今,为确认铁基超导体为第二个高温超导家族提供了重要依据,实现了高温超导研究领域的第二次突破。在这期间,他以67岁的年纪三次带领年轻人几乎通宵工作,完成了初期最关键的三篇论文。他的铁基超导研究得到了国内外高度评价,美国《科学》杂志三次报道赵忠贤的工作,其中在题为《新超导体将中国物理学家推向最前沿》的一篇文章中对其贡献给予充分肯定。

  从上个世纪70年代至今,从追赶、并跑到引领世界的历史进程中,赵忠贤一直都是我国高温超导研究主要的倡导者、推动者和践行者。他是新中国培养的杰出科学家代表,具有无私奉献的精神和国际领先的成果,为高温超导研究扎根中国并处于国际前列做出了重要贡献。

薛其坤:在量子世界实现“中国梦”

  在10月29日何梁何利基金2014年颁奖礼上,“科学与技术成就奖”获得者清华大学教授薛其坤在发言中深深感谢自己的夫人,因为正是家人的支持和宽容,才能让他每天过着“7—11”的生活,即早上7点到晚上11点持续地工作。

  薛其坤的很多学生曾经较劲:“想趁着自己年轻,和薛老师比一比,看谁先到实验室,谁最后一个离开”,但多年来几乎没人能赢。这是一种近乎苦行的“修炼”,但薛其坤却体会到的是快乐而非痛苦。

  薛其坤是名年轻的国际著名实验物理学家,1999年从海外学成归来,2005年当选为中国科学院院士。

  薛其坤在国际上首次发展了拓扑绝缘体薄膜的分子束外延生长动力学,证明了拓扑绝缘体是二维无质量的狄拉克费米体系并受时间反演对称性保护等物理性质,从实验上首次发现量子反常霍尔效应,首次利用分子束外延—扫描隧道显微镜等技术发现一类全新的FeSe/STO界面高温超导体系。

  所谓拓扑绝缘体,简单地说,就是内部绝缘,表面导电的材料。近年哈佛大学学者在理论上提出拓扑绝缘体上可以实现反常量子霍尔效应,擅长于材料科学研究和实验物理的薛其坤敏锐地扑捉到这一信息,带领团队寻找制作拓扑绝缘体,他们尝试国际同行的常规技术路线后,主动放弃,另辟蹊径,采取“鱼和熊掌兼得”的方案,在绝缘体上来生长导电材料,在国际上率先建立了拓扑绝缘体薄膜的分子束外延生长动力学,在原子水平上实现了对拓扑绝缘体薄膜样品生长过程的精确控制,界面薄膜只有几个纳米厚,肉眼几乎看不到这种材料的存在。制作这种不同元素和不同结构的拓扑绝缘体,需要4种元素用一种叫“分子束外延”的方法一层一层生长起来。其中,4种原子如何配比,结构如何搭建,都十分复杂精妙。

  在过去4年时间里,他的研究团队生长和测量了超过1000个样品。一次次的生长、测量,一次次的挫折、调整,再生长、再测量……把实验的每一步、每一个细节都力争做到极致,把实验技术发挥到极限。他们几个月甚至更长时间才能克服一个困难,向目标推进一小步。功夫不负有心人,就是在经历了这种顽强坚持和追求极致的过程,最终找到最佳的元素搭配与结构。2012年10月12日晚10点35分在制备的拓扑绝缘体样品测试中首次发现了量子反常霍尔效应,2013年3月15日相关工作发表于《科学》,引起了国际轰动。这是量子霍尔效应家族里最后一个有待发现的重要成员,这是近年来国际物理学界由中国科学家以无与伦比的精巧实验和近乎完美的实验数据完成的重大科学成果。

  诺贝尔奖获得者物理学家杨振宁先生评价他的成果:“这让我想起很多年前接到物理学家吴健雄的电话,第一次告诉我在实验室做出了宇称不守恒的实验,这个发现震惊了世界。今天薛其坤及其团队做出的实验成果,是物理学领域最近几年一个重大的成果,这不仅是科学界的喜事,也是整个国家的喜事。”

  量子反常霍尔效应解决了不用增加外磁场电子碰撞发热的问题,未来在量子计算、量子信息存储方面有巨大的应用潜力,据此设计的新一代电子芯片,将会具有极低的能耗,这就是薛其坤及其团队下一步追求的目标。

  值得一提的是,早在1997年和2006年,赵忠贤和薛其坤曾经分别获得何梁何利基金科学与技术进步奖,获奖之后他们再接再厉,潜心研究,沉淀十年,再创辉煌,赵忠贤的高温铁基超导和薛其坤的量子反常霍尔效应,都是在获奖之后又取得的新成果,是我国近年来在国际上处于领跑地位的前沿科学领域取得的重大科学成就,具有巨大的应用潜力。

  今天,他们再次荣登何梁何利基金科学与技术成就奖光荣榜,这必将激励我国更多的科技人员在创新驱动发展的大潮中敢于创新,勇攀科学高峰。

2014年10月31日 15:46:08  清华新闻网

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