【中國科學報】他的這門手藝,讓Nature驚呼“絕技”!
2022-03-15
文章來源: 中國科學報

  金魁的實驗室在一樓拐角第一間。

  打開門,一個“蒸汽朋克”般的科技世界跳入眼中—— 一臺復雜而龐大的精密儀器,占據了50多平方米的房間的一半。

  站在它面前,金魁充滿期待,也感受到了巨大壓力。

  那是2012年,31歲的金魁回國被聘為中國科學院物理研究所(以下簡稱中科院物理所)特聘研究員,他把自己所有的人才經費投給了面前的這臺儀器。對于他即將開展的工作來說,從國外定制的這臺儀器是核心之一。

  他很清楚通過這臺儀器想要解決的科學問題——利用材料基因的技術,加速高溫超導定量化物理規律的探索。

  但怎么做?考慮現實情況,能否在5年至10年內實現目標?對此金魁心里還是有些忐忑。

  直到今年2月17日,金魁總算暫時松了口氣。

  他帶領團隊在這臺儀器上開發了材料基因技術——“連續組分超導單晶薄膜制備及跨尺度表征技術”,并利用該技術揭示了30年未解的高溫超導定量化物理規律。

  該成果在《自然》雜志上刊發。

  “絕技”(Tour de force)——兩位國際審稿人不約而同地給出了這一高度評價。

  金魁也受邀在今年的美國物理學會三月會議上做報告。

  
金魁(中)與學生討論實驗。李子峰攝

  讓美國導師搖頭的想法  他在國內實現

  高溫超導研究已有110多年歷史了,至今仍是物理學界最重要的前沿問題和最難攻克的科學問題之一。

  其中,高溫超導的機理是未解的跨世紀“謎題”,解決這個難題的關鍵是找出重要物理量之間的關系,并定量化表達。

  而找到一個重要規律,往往需要幾年甚至幾十年時間,也面臨著實驗精度的重大挑戰。

  2011年,美國提出了“材料基因組計劃”,意在通過使用計算能力、數據管理和新的綜合性實驗方法,使材料物性研究和應用的效率更高。

  這在材料、能源等領域得到廣泛關注。

  那時,金魁在美國馬里蘭大學從事博士后研究,跟隨兩位導師分別開展高溫超導和材料基因方法學探索研究。

  尋找規律,或許能從一類關鍵的高溫超導體系La2-xCexCuO4(LCCO)中找到答案。

  LCCO是唯一覆蓋全超導摻雜區的電子型高溫超導體系,但只能以單晶薄膜的形式穩定存在。

  于是,他首先獲得了系列高質量單組分LCCO超導單晶薄膜,通過單晶薄膜成功獲得了完整的相圖,并從該圖中發現了高溫超導兩個關鍵物理量——奇異金屬(如線性電阻)與高溫超導轉變溫度存在定性聯系。

  這項成果2011年刊發于《自然》雜志。

  2012年,金魁即將結束博士后研究,他想回國后繼續發展新一代高效率材料基因技術,并融入高溫超導研究中。

  當他跟導師們分享這個想法時,導師們搖搖頭,覺得“very tough”(非常難)。

  2012年12月25日,金魁回了北京。第二天,他正式入職中科院物理所超導國家重點實驗室?!盎氐匠瑢嶒炇?,就是要攻下難題?!?/p>

  難題是如何找到奇異金屬與高溫超導轉變溫度定量化的關系。

  唯一也是最好的辦法,是在合成材料中不斷地“試”。

  “相當于配一服中藥,調試合適的配方?!苯鹂忉尩?。

  不同的是,他們調的是原子級別的元素,調試的精度是千分之一甚至萬分之一,要在每一次調試配比時捕捉其變化過程,最終找到定量的“數值”。

  更難的是,要保證變化過程中原子排列整齊有序。

  可靠的統計物理規律需要更多可靠的實驗數據,而傳統的研究手段需要數年時間才能合成系列化學組分的單晶薄膜,而且控制精度有限。美國一個團隊在2016年描述了超導的另一個定量規律,用了12年、2000多個樣品。

  “傳統的‘試錯型’實驗方法效率低,很難進一步實現從定性到定量的認識?!苯鹂嬖V《中國科學報》。

  因此,回國之后的前5年,金魁和同事帶著研究生把大多數時間都花在了技術上。他們發展了新一代“連續組分超導單晶薄膜制備及跨尺度表征技術”,并將物性識別率提升了兩個數量級。

  走通了流程,接下來就是快速“收割”高質量數據。在金魁看來,這是量變引起質變的一個過程,即通過大量可靠的實驗數據找到統計物理規律。

  金魁團隊在這條交叉創新的“探險”之路上“十年磨一劍”,最終揭示了奇異金屬散射和高溫超導轉變溫度之間的普適物理規律,實現了高溫超導定量化認識道路上的一個重要突破。

  國外拒售的高端設備  他們自主研發更強版本

  回國后,在尋找規律、開展理論研究的同時,金魁還在干著另一件事——研制設備,并帶領團隊走出了一條獨特的高溫超導薄膜技術路線。

  關鍵材料的研發周期幾乎直接決定了相關領域的發展進程。

  材料基因組技術的出現為縮短材料研發周期帶來了希望。其中,組合薄膜制備技術是材料基因組核心技術之一。

  發展更加精確的高通量薄膜制備和原位表征手段十分必要,對包括超導材料在內的多個前沿領域研究具有重要意義。

  過去30多年里,在以趙忠賢院士為代表的幾代科研人員努力下,高溫超導研究在中國扎根。

  “我國雖然位列世界超導研究的前排梯隊,但實驗室中的高精尖制膜設備卻嚴重依賴進口,尤其是發達國家在關鍵核心技術和設備上對我國實施禁運封鎖,導致我國高質量應用型‘薄膜’和‘制膜精尖設備’受到掣肘?!苯鹂f。

  一開始,由于相關技術在我國還未有成熟先例,金魁團隊先從國外購買了一套先進的激光鍍膜設備,做出的高溫超導薄膜尺寸小,只夠科研用。

  事實上,今年2月17日發表、被《自然》審稿人評為“絕技”的成果,就來自于文章開頭提到的從國外定制改造的儀器。

  國外公司拒絕出售大尺寸薄膜制備設備?!案匾氖?,國外設備只能實現單面薄膜制備,無法滿足團隊需求?!苯鹂f。

  于是,自主研制科研和應用所需的高端設備勢在必行。

  在中科院儀器研制項目的資助下,金魁與團隊骨干、主任工程師袁潔帶著學生,與中科院物理所主任工程師郇慶團隊合作,對設備進行了反復的設計優化和改進。

  研發歷時5年多,僅圖紙設計就多達40多個版本,最終完成了全面的性能指標測試。

  該設備采用的關鍵技術為研發團隊首次提出,核心部件均為自主研發。這臺儀器一面有著900多攝氏度的“極高溫”、一面有著零下260多攝氏度的“極低溫”。

  科學家通過操作,讓原子面貌及其特性關系在“兩極”之間顯露無遺,精準且穩定。

  它是當前國際上最先進的第四代高通量制備與原位電子態表征實驗設備,具備多項獨特優點,人們認為其“將成為材料基因研究的重要工具”。

  未來,在這臺自主研發的機器上,科研人員有望做出更多比“絕技”更“絕”的成果。

  這是技術路線的第一步——設備尖端化,但投入應用成本較高。

  2019年,金魁和趙忠賢在東莞松山湖材料實驗室建成了一支10人左右的“實用超導薄膜”研究團隊。

  “在松山湖,我們不需要考慮發文章,能真正專注、全力以赴地解決應用難題?!苯鹂f。

  2021年年初,他們通過技術集成創新,成功研制出基于國產部件的“三光束脈沖激光共沉積鍍膜系統”,并制備出大尺寸雙面釔鋇銅氧(YBCO)超導單晶薄膜,為我國高品質、應用型超導薄膜產品制備技術帶來新突破。

  “我們用了近8年時間,走出了一條從定制到設計,再到核心部件國產化,最后整機國產、尖端化、實用化的技術路線,解決了大面積鍍膜設備‘卡脖子’問題?!苯鹂f。

  不是天賦型選手  更愿帶領團隊“探險”

  金魁一直認為,取得這些成果不是靠他一個人,而是依靠背后整個團隊的力量,尤其是一批優秀的學生。

  他管理團隊有“妙招”。在團隊里,金魁把“硬骨頭”作為科研主線,同時將超導領域其他物理問題和應用基礎問題作為科研“復線”,由“復線”支撐,保證實驗室的正常運行和持續發展,主線則慢慢往前走。

  馮中沛是金魁的博士生。在中科院物理所時,金魁就發現馮中沛擅長做超導薄膜和儀器研發,但對寫論文“很頭疼”。

  因此,在“實用超導薄膜”研究團隊組建之時,金魁就建議馮中沛到松山湖實驗室跟隨趙忠賢進行博士后研究,開展應用研究工作。

  在那里,馮中沛的熱情和能力被充分激發,他是“三光束脈沖激光共沉積鍍膜系統”的主要設計和搭建者。

  金魁時常告訴學生,一定要與不同的團隊多交流,把自己以前所學的知識帶到一個新團隊,跟他們的方向交叉融合,然后找到適合的方向。

  “不管哪個學生,只要需要,我會幫他們聯系所內外老師,甚至國外團隊。我鼓勵我的學生去跟外面的人交流,幫他們創造條件?!苯鹂f。

  從金魁研究組出去的學生很受歡迎,他們因知識扎實、技術過硬、特色鮮明而被贊譽。

  作為一名青年科學家,金魁曾被人問到,是愿意做科研工作的探險者、導游還是游客。

  “我不是天賦型選手,但想做個探險者?!苯鹂f,“前路更需堅定、專注,需要足夠耐心?!?/p>

《中國科學報》 (2022-02-21 第1版 要聞 原標題為《他在高溫超導世界里練出“絕技”》)