中大新聞網(wǎng)訊（記者李建平、朱嘉豪）“發(fā)現(xiàn)液氮溫區(qū)鎳基超導(dǎo)體中國科學(xué)家占據(jù)了第一，理論研究我們也不能落后，不然就對(duì)不起這樣的機(jī)遇?！眱牲c(diǎn)睡、七點(diǎn)起，是中山大學(xué)物理學(xué)院教授姚道新今年上半年的常態(tài)。最后沖刺的一周里，他甚至睡在了辦公室。

姚道新教授伏案工作

超導(dǎo)材料，因其重要的應(yīng)用價(jià)值，是物理學(xué)的熱門領(lǐng)域，與超導(dǎo)有關(guān)的諾貝爾獎(jiǎng)已經(jīng)授予了五次。今年，中山大學(xué)王猛團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了一種液氮溫區(qū)的鎳基高溫超導(dǎo)材料，這是中國科學(xué)家率先發(fā)現(xiàn)的全新高溫超導(dǎo)體系。

對(duì)于做理論研究的姚道新教授而言，這一刻，對(duì)這種全新超導(dǎo)材料的機(jī)理研究的發(fā)令槍就已經(jīng)鳴響。

發(fā)現(xiàn)鎳基超導(dǎo)體之后

穿過中山大學(xué)廣州校區(qū)南校園東南區(qū)的一片竹林，就到了冼為堅(jiān)堂。四十年前，在楊振寧先生的親自推動(dòng)下，中山大學(xué)高等學(xué)術(shù)研究中心落戶這里，被寄予了促進(jìn)基礎(chǔ)學(xué)科研究的厚望。

姚道新教授辦公室就在二樓。窗外，翠綠的竹葉隨風(fēng)微動(dòng)，透過窗子，倒映在滿是書籍和獲獎(jiǎng)證書的書架上。他和團(tuán)隊(duì)就是在這間辦公室里完成了新型鎳基高溫超導(dǎo)體理論研究的很多重要工作。

姚道新教授在辦公室

今年初，同在物理學(xué)院的王猛團(tuán)隊(duì)對(duì)花了兩年時(shí)間生長出來La_?Ni_?O_?單晶材料進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，驚喜地發(fā)現(xiàn)其不僅超導(dǎo)，而且超導(dǎo)溫度達(dá)到了液氮溫區(qū)。

這個(gè)重磅發(fā)現(xiàn)，最終發(fā)表在頂級(jí)期刊《自然》雜志（Nature)，姚道新教授深度參與其中，完成了論文的理論部分，分析了高溫超導(dǎo)的可能因素。但對(duì)于由此引發(fā)的一個(gè)全新的研究領(lǐng)域來說，這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

“鎳基超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)，不僅意味著中國科學(xué)家獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了繼銅氧化物之后的第二種全新的高溫超導(dǎo)體系，更在于通過比較研究，有可能推動(dòng)科學(xué)家破解高溫超導(dǎo)機(jī)理，設(shè)計(jì)新的更多的更容易應(yīng)用的高溫超導(dǎo)材料，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更加廣泛的應(yīng)用。”王猛教授說。

因此，對(duì)于這一新型超導(dǎo)體，理解該材料體系的超導(dǎo)機(jī)理及其獨(dú)特物理機(jī)制顯得尤為重要。姚道新教授說：“第一篇基礎(chǔ)性的理論研究論文最好能夠形成定量化的物理模型，能夠準(zhǔn)確地描述該類超導(dǎo)體的微觀結(jié)構(gòu)、電子能帶性質(zhì)以及電學(xué)磁學(xué)性質(zhì)，成為連接實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)和后續(xù)理論的橋梁，同時(shí)有利于指導(dǎo)后續(xù)實(shí)驗(yàn)的開展?！?/p>

與時(shí)間賽跑

姚道新和團(tuán)隊(duì)開始了夜以繼日的工作。

4月的一天，在到福州出差參加學(xué)術(shù)會(huì)議的飛機(jī)上，姚道新用隨身攜帶的紙筆寫下了理論模型的框架，并發(fā)給了團(tuán)隊(duì)。

“這個(gè)模型相當(dāng)于指明了出發(fā)點(diǎn)到目的地之間的一條路，是最根本的部分，我們的方向就明朗了。”姚道新團(tuán)隊(duì)的博士胡訓(xùn)武說。

姚道新教授展示今年4月手寫的模型構(gòu)思

然而，數(shù)據(jù)的處理和模型的建立仍需要大量的工作?！爱?dāng)時(shí)的感覺一是興奮，能參與這么重要的研究，可遇不可求；另一方面就是急迫，搞科研講究時(shí)效性，同樣一個(gè)工作，晚了就失去先機(jī)，錯(cuò)過了?！绷硪晃徊┦苛_志輝說。

為此，姚道新、吳為副教授和兩位博士全力以赴致力于理論模型的研究。5月16日，關(guān)于實(shí)驗(yàn)和理論合作的第一篇論文需要在arXiv（預(yù)印本文庫）網(wǎng)站上提前發(fā)布，這意味著團(tuán)隊(duì)將面對(duì)來自全球的競爭。

姚道新說:“當(dāng)時(shí)壓力非常大，每天都上平臺(tái)看一下理論研究進(jìn)展。我擔(dān)心的不僅是被別國的科學(xué)家搶了先，更擔(dān)心對(duì)方的論文做得非常粗糙還搶了先，讓我們研究陷入被動(dòng)?！币Φ佬聢F(tuán)隊(duì)不僅要搶時(shí)間，還要保證質(zhì)量，保證經(jīng)得起后續(xù)研究的檢驗(yàn)。大家的工作節(jié)奏進(jìn)入了沖刺階段。

實(shí)驗(yàn)論文公開后的第八天，5月24日凌晨兩點(diǎn)，姚道新團(tuán)隊(duì)將幾經(jīng)修訂定稿的論文發(fā)表在了arXiv上（2305.15564）。在這篇論文中，姚道新團(tuán)隊(duì)利用密度泛函理論對(duì)高壓相的雙層鎳基超導(dǎo)體進(jìn)行了系統(tǒng)性計(jì)算，建立了一個(gè)雙層兩軌道模型，準(zhǔn)確地反映了費(fèi)米面和電子能帶，表明了層間的強(qiáng)關(guān)聯(lián)特性，分析了鎳基化物超導(dǎo)配對(duì)的關(guān)鍵因素。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)又進(jìn)一步考慮了氧軌道的貢獻(xiàn)，并提出了一個(gè)高能的11軌道模型，有助于分析鎳的超交換過程和氧的摻雜效應(yīng)。

“我們有兩個(gè)模型，研究做得還是相當(dāng)扎實(shí)的。這對(duì)于理解雙層鎳基超導(dǎo)體的微觀圖像和超導(dǎo)機(jī)理起到了十分重要的作用，為鎳基超導(dǎo)體的后續(xù)研究打下了基礎(chǔ)?！币Φ佬抡f。

論文的五位作者：姚道新教授（中）、王猛教授（左二）、吳為副教授（右二）、羅志輝（右一）、胡訓(xùn)武（左一）

僅僅10天后，接連就有新的相關(guān)論文貼出來。6月6日起，來自美國、中國、德國、瑞士、俄羅斯、日本的鎳基超導(dǎo)體的理論文章更是如雨后春筍般冒出來了，幾乎所有的文章都引用了姚道新課題組的論文，起到了引領(lǐng)性的作用。姚道新知道，他終于跑贏了這場國際競爭：鎳基超導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)和理論研究的第一篇論文，均出自中國科學(xué)家之手。

今年8月，在寧夏大學(xué)召開的中國物理學(xué)會(huì)秋季學(xué)術(shù)會(huì)議聚集了來自國內(nèi)外各大高校、科研院所的5500余名物理學(xué)者現(xiàn)場參加。大會(huì)特別新增“鎳基超導(dǎo)體”的專場報(bào)告會(huì)，并邀請(qǐng)王猛教授和姚道新教授作報(bào)告，臺(tái)下座無虛席，反響強(qiáng)烈?！艾F(xiàn)在，做凝聚態(tài)物理研究的，如果說還沒有關(guān)注到鎳基超導(dǎo)，就會(huì)擔(dān)心自己落后了?！睒I(yè)內(nèi)科學(xué)家說。

9月20日，國際著名物理刊物《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）正式刊登了姚道新團(tuán)隊(duì)成果。而從發(fā)布在arXiv上開始算起，姚道新的論文已經(jīng)被引用了近40次。在他們的理論模型基礎(chǔ)上，有關(guān)科研團(tuán)隊(duì)開展了新型鎳基超導(dǎo)體的超導(dǎo)配對(duì)態(tài)、氧缺陷、強(qiáng)關(guān)聯(lián)特性、摻雜效應(yīng)等研究。一個(gè)全新的超導(dǎo)研究領(lǐng)域變得十分火熱。

從跟跑到領(lǐng)跑

“我進(jìn)入超導(dǎo)研究領(lǐng)域已經(jīng)30年了，親身經(jīng)歷了中國科學(xué)家從跟跑，到并跑，再到領(lǐng)跑的過程?！币Φ佬抡f，“我一開始是研究銅基超導(dǎo)的，它就像一個(gè)礦，已經(jīng)挖了十多年，會(huì)覺得突破很艱難。而鎳基超導(dǎo)就像是我們新發(fā)現(xiàn)的礦，有許多新的東西可以挖掘。”

1986年，瑞士科學(xué)家率先發(fā)現(xiàn)一種在35K超導(dǎo)的銅氧化物，后經(jīng)包括中國在內(nèi)的多國科學(xué)家共同努力將超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度提高到了液氮溫區(qū)。2008年，日本科學(xué)家在一種鐵砷材料中發(fā)現(xiàn)了26K以下的超導(dǎo)現(xiàn)象。很快，中國科學(xué)家合成出多種鐵砷材料，將超導(dǎo)溫度突破了麥克米蘭極限，走在世界隊(duì)伍的前列。而這一次，由中國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了全新的鎳基超導(dǎo)體。

在姚道新看來，有志者事竟成，很多事情在于堅(jiān)持。“有過去幾十年的積累，才能在機(jī)遇出現(xiàn)的時(shí)候抓住機(jī)會(huì)?！?/p>

此時(shí)，中國的研究條件也有了很大改善，中山大學(xué)、高等學(xué)術(shù)研究中心、物理學(xué)院公共科研平臺(tái)和中子科學(xué)平臺(tái)、廣東省磁電物性分析與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、光電材料與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中山大學(xué)國家超級(jí)計(jì)算廣州中心都提供了很好的支持。

這一篇研究還只是起點(diǎn)。姚道新介紹，在此基礎(chǔ)上，他們進(jìn)一步研究了新型鎳基超導(dǎo)體的超導(dǎo)配對(duì)特性，得到了和實(shí)驗(yàn)可比擬的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度Tc≈80K，并給出了摻雜下的超導(dǎo)相圖（arXiv:2308.16564）。吳為副教授等則利用團(tuán)簇動(dòng)力學(xué)平均場理論，研究了鎳基超導(dǎo)體的超交換相互作用和電荷轉(zhuǎn)移機(jī)制（arXiv:2307.05662）。

近期中科院物理所周興江團(tuán)隊(duì)和姚道新、王猛團(tuán)隊(duì)合作，通過高精確度的角分辨光電子能譜實(shí)驗(yàn)（ARPES）研究了新型鎳基超導(dǎo)體的電子能帶和費(fèi)米面，得到了和姚道新團(tuán)隊(duì)論文相一致的結(jié)果，并發(fā)現(xiàn)了跟電子軌道有關(guān)的強(qiáng)關(guān)聯(lián)效應(yīng)（ArXiv:2309.01148），目前正在國際刊物審稿階段。

“包括我們在內(nèi)，國內(nèi)外的研究團(tuán)隊(duì)陸續(xù)仍然有不斷發(fā)現(xiàn)和突破，這樣，我們對(duì)鎳基超導(dǎo)的理論體系理解就會(huì)更加系統(tǒng)了。”姚道新說。

文稿終審：黨委宣傳部 黃艷