郭建刚：见微知著，超导材料研究领域的传承者

专题：2024年CC讲坛

　　由北京君和创新公益基金会、中国科学院大学校友会联合主办，主题为“和而不同，思想无界”的CC讲坛第62期演讲2024年10月26日在中国科学院大学（北京玉泉路校区）礼堂举行。中国科学院物理研究所研究员郭建刚出席，并以《见微知著，超导材料研究领域的传承者》为题发表演讲。

　　以下为演讲实录：

　　非常高兴有机会能够再回到中国科学院大学礼堂，实际上我上次来礼堂，还是我博士毕业的时候，是2011年的7月份，那么经过了十三年后回到这里，给大家汇报一下，在这十三年当中我做的关于超导材料的一些研究的进展。

　　什么是超导材料？我们要从最早的人类对高性能材料探索的历史上开始。

　　我们知道在远古时期，人们用的是骨器、木器，那么随着骨器和木器渐渐不能适应人们对生活水平的发展需求，逐渐材料就慢慢分为了两大类，一个就是金属材料，金属材料从最早时期的青铜器，一直发展到了青铜剑，青铜时代过去之后就到了铁器时代，发展至今，现代金属材料主要分为两大类，一类是功能性的，还有就是结构材料；

　　第二大类就是陶瓷，陶瓷的这样的一个技术，陶瓷技术我们在博物馆也会看到很多，之后又到唐三彩，还有青花瓷，是吧？

　　那么到现在，它逐渐发展成现代陶瓷，也是分为两大类，一类是功能性，还有就是结构性。

　　还要给大家介绍一个，就是最近一百多年来的一种新材料——半导体材料。

　　半导体材料是处于金属和陶瓷之间的一种性质，它的导电性质处于两者之间，那么最具有代表性的就是硅、碳化硅和金刚石。 从1947年利用硅锗做出这种简单的晶体管之后，半导体工业逐渐进入到人类的生活当中，对我们目前的人类生活带来了极大的变革，包括我们所使用的电脑手机等等都离不开半导体。

　　随着第一代半导体逐渐过渡到第二代，包括砷化镓和磷化铟等等，主要是用在光通讯的一些方面。那么目前也发展到了第三代，就是碳化硅、氮化镓的这样半导体。那么正因为这样的一个半导体新的一些体系的出现，对于我们目前在集成电路，包括工业电源，甚至这种新能源汽车上面还是具有非常大的一些应用的场景的。

　　那么超导材料，是在上世纪1911年所发现的一种材料，它是一部分金属，一部分陶瓷，一部分半导体，经过改性之后，能展现出来的一个新物性。

　　那么什么是超导材料的呢？就是电阻随着温度的降低，这个材料如果是普通的金属，它总是有一定的电阻的，但是超导材料，逐渐降温的时候，它在某一个温度之下，它电阻完全为零了，没有电阻了，这是1911年所发现的在金属汞当中的一种这个超导效应，很快1913年发现超导效应的荷兰科学家就获得了诺贝尔物理学奖。

　　之后1933年又发现了，实际上超导材料它还有一个特性“完全抗磁性”。在没有进入超导态的时候，一个磁场它是能够穿过这个物质的，但是进入超导态之后，它就能把磁体完全排除到物质外边，这就是一个抗磁性。

　　那么我们不禁要问，为什么会出现超导？这个问题实际上在1957年的时候，美国的三位科学家就得出了一个很经典的解释，就是两个电子在穿过一种材料的时候，它会造成材料当中局部的微区发生了一个电荷的畸变，导致一个正电荷畸变，它就会把再过来的一个电子，能够把它给束缚到一块，形成一个超导电子对。我们知道两个电子是相互排斥的，但是在这样的一种材料当中，它两个电子是能够凝结到一块，形成一个超导电子对的。

　　但是这里给出了一个最重要的推论，我们一定要注意。超导说的临界温度是低于39K的，这是一个非常重要的指标。

　　目前超导材料的应用是非常广泛的，无论是在科学研究、医疗，还有能源工业等等方面都有很多的用处。

　　它主要应用的两个最经典的场合，一个就是超导线材，在电力传输方面，因为它没有电阻，它就不再发热了，它不发热之后，我们的在电流传输过程中，它热损耗就降得很低；另外一个它能产生一个很大的磁场，因为它能够通过很大的电流不产生热，那么根据我们初高中学的洛伦兹定律，电流通过的时候，它会产生一个强磁场；那么还有一个世界科技竞争的前沿，就是超导量子计算，实现超导超导量子计算，它能够解决我们目前所用的电脑方面逻辑运算所不能实现的功能。

　　那么什么样的材料是一个好的超导材料？有三个指标，一个就是它温度要高，尽量能够到室温，当然现在还没有室温，所有已发现的超导材料的温度都是集中在非常低的温度区域，（我这里说的K和这我们认识的℃是有不同，它有个换算的公式）基本上聚焦在10K到100K之间，我们把高于39K的超导材料，就叫高温超导材料，它只是低温中相对的高温；

　　第二个指标就是它具有一个非常强的磁场，它一般来说临界磁场大约是在10~100个特斯拉左右。我们知道实际上在地球分布有磁场的，但是磁场是非常弱的，一般在几个微特斯拉左右；

　　第三个指标就是它临界电流密度要高，就是说能够承载通过的大电流值很高，这个临界值大约在105~6A/cm2。

　　有了这样的指标，我们就对照着去找一找，看现在有哪些已知超导材料，大约是分为四类，一个就是非常常规的低温超导材料，它最高的温度就是39K，和我们刚才所讲的指标是完全符合，它不可能超过39K；

　　那么其他三个经典的体系，一个是铜基超导体，它最高的温度是163K也就是大约在零下110℃左右；

　　第二个介绍的体系就是铁基超导体系，它目前的最高的温度是在77K；

　　第三个是镍基超导体系，它目前的温度也能达到85K左右。

　　在这里面要介绍一下77K为什么重要？因为77K实际上是液氮产生的温度，我们知道在空气当中有大量的氮气，如果一个材料能够在77K的时候变成超导，电阻完全消失，又能产生很强的磁场，这样在人类应用的过程中价格非常便宜的，但是很不幸的是，经过一百多年的研究，目前只有这三类体系，它的超导临界温度高过了77K。

　　我个人也非常有幸参与到了后边这两个体系当中，在博士期间一直到现在所做的主要的两个体系。

　　目前超导研究就是三个方向，一个是找材料，找到一些更高温的，甚至到室温的超导材料；第二就要理解为什么会出现超导，这个也是目前凝聚态物理学家主要关心的一个最大的科学问题；第三个就是超导的应用。

　　我个人主要研究方向是在第一方面，探索一些新的体系，能够把超导临界温度尽量提高，让大家能够在一些更便宜或者是更好的场合应用上超导材料。

　　一个体系就是铁基超导体系。我们刚才说了超导是具有抗磁性的，出现一个磁场之后，能够把磁性完全排出去，但是你如果外界给它加一个强磁场的话，它是非常容易破坏超导的。发现铁基超导体的难度是非常大的，为什么？因为铁本身就是有强磁性的，我们尽量要找一些不含磁性的材料来合成一些新体系，它就非常容易了。

　　但是铁基超导体发现的难度这么大，前面的科学家经过了从1911年甚至到2008年，很难找到这样的一个体系。突破出现在2008年，东京工业大学的细野秀雄老师，是我在日本做博士后期间所跟的导师，他在2008年2月份报道了一个材料，里边含有大量的铁，而且超导临界温度还非常高，当时引起了超导界的非常巨大的关注，于是在2008年的2月份到5月份，实际上是一个非常疯狂的春天。

　　我是2008年9月份到物理所念博士，我去的时候老师说咱们也做一些铁基超导，我说铁基超导基本上要被做完了，我们做一些什么样的东西呢？后来我跟我们课题组的老师仔细讨论了一些，看看是不是有其他的可能性。

　　我们聚焦到了这样一个二元化合物，就是铁硒。我们当时从三个方面考虑这个问题，当时做的是一个铁、砷的，砷就是我们日常所见的砒霜，毒性也非常大，所以我们也不太想做那个东西，但是价态它是-3价的，硒Se它是-2价的，这里边带来了一个最重要的问题，就是说这里铁是+2价，硒是-2价，那么整体是一个层状的材料，就像我们翻书一样，它是一页一页，一页和一页之间，它们的作用力是非常弱的，是一个电中性的，第二个考虑就是，我们能不能在层间给它放进去一些其他的东西，包括一些离子或者一些分子，能不能探索出一些新的体系？

　　第三个就是从电子浓度考虑，看看电子的浓度够不够多。一般认为一个材料当中的电子浓度越大，它 TC（临界温度）是越高的。

　　当时我们考虑之后，就利用这种在层间放进去一个离子的方式，就合成出了一个新的体系，就是钾、铁、硒三元体系，这个体系的超导临界温度在我看来是蛮高的，实际上它只是在30K左右，也是打破了当时整个铁硒基超导材料的最高的，在常压下的一个温度记录。

　　我们把一个大的碱金属——钾离子（钾离子的半径很大），放到这个层间之后，它很容易就呆在那儿了，因为钾跟这个层间有些相互作用了。那么我们再考虑如果离子半径很小的东西，能不能也把它放到层间？

　　答案是不行的，因为我们大量的实验来证明，锂离子（锂离子半径是整个元素周期表当中最小的）放进去之后，它很容易就跑出去，包括钠离子，还有其他小尺寸的，它待不住。

　　那么这时候我们就看看，能不能有新的实验手段，我们就把锂离子和一些其他的有机分子绑到一块，一起让它进去？

　　最后通过这种改进的实验方法，我们确实，除了钾之外，我们可以看到锂、钠、钙、铷、铯，很多的元素都能够放到铁硒层的层间，就把TC（临界温度）最高拓展到了46K，它已经超过了当时得诺贝尔奖那三位科学家预言的最高温度记录39K，这个体系当时也是在超导领域一个比较大的突破。

　　实际上经过这么多年的发展，实际上当时铁砷基的超导，我刚才说了三个月时间，全世界科学家都做完了，那么我们基于我们对晶体结构的一些深入思考，最后经过这么多年，发展出来一个铁硒基的体系，这个体系最重要的一点，它突破了“麦克米兰极限”的温度，就是39K；第二个，它这里边的超导机理和超导铁砷是完全不一样的，我们也把它发展成了一个新的超导家族。

　　以上工作也是入选了美国的物理学会的《Physical Review B》创刊50周年的里程碑的一个论文，入选比例大约是0.03%左右，这篇工作也是唯一一个由咱们中国科学院科学家完成的工作。

　　基于这个工作，我们在2020年也获得了“国家自然科学二等奖”奖项。

　　再给大家介绍一个新的体系——镍基氧化物的体系，这个故事要从哪来？还是要从铜基上来，刚才说了铜基的超导体的温度是最高，163K。铜基能展现出什么样的物性，我们就照它来，是吧？

　　所以我们就找了跟铜在化学元素周期表上挨得最近的镍，跟它比较。那么从这个价态，还有外壳层的这种电子分布来看，它们两个是非常具有相似性的。

　　但是在2004年的时候，美国科学家他们做了一篇理论的工作，非常著名的科学家，他们经过理论计算，就是说镍的+1价，它虽然看起来外形和铜+2价离子，无论构型，无论是电荷排布是非常一样的，但是它是完全内在的机理是完全不一样的。

　　当时我们看到这个文章之后，又做了很多实验，关于镍基的实验做了很多，但是很不幸都没有成功，从铜基被发现，一直到现在经过了差不多四十年的时间，就没有实现一个镍基超导。

　　我们当时也考虑了一个最大的问题可能是什么？常规的一种方法就是我们简单的想合成一下，简单的想掺杂一些，调控一下，是不能成功的，这种平衡态的调控不行。

　　平衡态是不行的，我们就尝试着看能不能用一些比较奇奇怪怪的实验方法。

　　这种非平衡态的方法实际上有两种，一种就是你合成出这个材料之后，你要拉一拉它，是吧？你轻微地拉一拉它，以便使它电子云产生了重构；第二个就使劲地压一压它，有很高的压力，压一压它，产生一个几万大气压的这样一个环境，看能不能产生一些新物性。

　　非常有意思的一个工作，就是化学式，稍微复杂一点，但是实际上它是从n等于1，一直到无穷，它是非常复杂的一个体系，当时是咱们中山大学的王猛老师，他们是聚焦在 N等于2，这样的一个所谓的， La3Ni2O7这样一个体系。

　　他们当时聚焦在这个体系当中，他们也在用高压的方法，把压力加到了很大之后，可以看到在非常高的温度，大约是在78K，我们刚才说了，如果能够在77K以上的一个超体，是非常有难度的，但是他们这个体系可以看到，在78K的时候，它电阻发生了非常剧烈的下降。

　　这个工作当时新出现之后，引起了国内外巨大的反响，终于用一种非平衡态的方法，中国的科学家得到了一个镍基超导体。但是有一点遗憾的就是，它电阻没有到0，我们刚才说的，零电阻是一个超导所必须的效应。

　　我们所做的一个工作，我们聚焦在了 N等于3，三层这样一个体系，为什么会做三层，还是从铜基来的？

　　就是三层的时候，铜基超导TC（临界温度）是最高的，我们就做了个第三层的，我们也要看一下加高压之后有没有超导？

　　那么非常有意思的，我们确实在高压下也看到了超导，这是我跟咱们复旦大学的赵俊老师一起合作的一篇文章，还有北京高压科学中心的曾老师。

　　在这里面我们就找到了 N等于三，第三层的这样的新超导体，但是很不幸的是，我们这个超导体临界温度与铜基恰恰相反，我们一直往下走，但是铜基是往上走，这个是非常有点遗憾的一点。

　　今年还有一篇工作也是来自于中科院物理所周睿老师和程金光老师，他们最近通过掺杂一点元素之后再加压，也是发现非常有意思，把临界温度能够进一步提高到了82.5K，零电阻的温度也大约是在60K左右。

　　我们的工作和他的工作都发现了超导的另外一个特征，就是具有非常好的抗磁性。

　　从以上这三篇工作就确实证明了镍基超导，它完完全全就是一个非常规的、一个非常有意思的高温超导体。

　　从实际上对超导材料的追求历史来看，从上世纪的八十年代一直到2010年左右，铜基超导体的出现和铁基超导体的出现，极大地推动了中国科学家在超导材料探索领域的国际地位，在国内我们知道铁基超导和铜基超导，分别在1987年和2013年获得了“国家自然科学一等奖”两项，同时“国家自然科学二等奖”数量大于六项的，也实现了中国超导研究在世界领域范围内从跟跑慢慢到并跑，最近这几年我们中国科学家，尤其是我们中国科学院物理研究新的一代，发现了这种在镍基超导体系，这就意味着中国的科学家，咱们在超导探索领域，目前已经走到了世界的前列。

　　在2008年《Science》有篇社论，“新超导研究是把中国科学推到了世界超导研究，甚至世界科学研究的前列”。

　　超导材料目前已经能够被制备成非常好的线材、带材有了一些初步的应用。超导材料应用于全超导的托卡马克装置，被称为“人造太阳”，主要利用超导材料绕成一个磁体之后，它能通过承载更大的电流，它能够产生很强的磁场，将电子完全约束到一个非常小的环里，进行全速运动，产生碰撞而产生一个核聚变；

　　第二个就是全超导的磁悬浮，它有一个抗磁性，能够将一个一个物体能够托起来，已经研制出来的超导的磁悬浮的列车；

　　第三个就是电力运输方面，刚才说了，它是没有电阻的，那么在运输过程中它可以产生很大的电流，但是它又没有热，上海已经开始做了好多年的示范的工程。

　　更远的一个展望，我们知道从石器时代、青铜时代、铁器时代，再到钢铁时代，到了上世纪五十年代的硅基的半导体时代，一直拓展到现在，我们是不是能够在下一步，进入超导或者量子的这样的一个时代？

　　我们知道超导体它是极限材料，它们既是一种能源材料，我刚才说了这种托克马克磁悬浮，也是一种信息材料，包括量子计算机，还有超导二极管的等等，他们在科学研究和工程方面有非常广泛的应用，也被认为，超导材料能够支撑我们下一代人类文明的快速发展。

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