上海交大在超导领域获重大进展 开辟基础研究特区让青年学者挑战“不可能”

　　图为“费米面”与半满水瓶中的水表面对比。中青报·中青网记者 王烨捷/摄

　　图为贾金锋院士在实验室工作。受访者供图

　　近日，上海交通大学贾金锋、郑浩团队的“实验证实超导态‘分段费米面’”科研成果入选2022年度“中国科学十大进展”。这项听起来晦涩难懂的成果，是基础科研领域一项重大进展。

　　中国科学院院士、上海交通大学物理与天文学院教授贾金锋介绍，团队2012年制备出了“拓扑绝缘体/超导体异质结”，证明了该体系为拓扑超导，并在其中观察到了人们长期追求的马约拉纳零能模。这次的成果是在该体系中发现的新现象，是对该体系持续不断研究的一种回报。

　　研究团队在超导材料中实验并证明了“分段费米面”的存在，这种碎片化的费米面，能使得原本只能“零电阻双向导电”的超导材料具备“零电阻单向导电”的特性，这种超导材料有望被用来制作“超导二极管”，并应用于科学界遐想已久的“超导计算机”。

　　令人无限遐想的“超导计算机”

　　在不少人看来，“超导计算机”是最令人遐想的一件好东西。计算机从最早使用真空二极管到后来使用半导体二极管，经历了两次大革命。但如果能用超级擅长导电但又不发热的超导体来给计算机导电，那“发热”的问题就能迎刃而解。

　　人们日常使用的手机、电脑，用得时间长了就会产生发热的问题。这种发热，不仅会使得电器设备容易产生故障、减损使用寿命，还会浪费电。之所以会产生这种发热，主要是因为手机、电脑等使用的普通导体有电阻，因此在导电的同时会发热。曾有科学家把一个生鸡蛋敲碎了放在一台大型电脑的CPU主机板上做实验，这种因普通导体带来的“发热”甚至可以把鸡蛋煎熟变成荷包蛋。

　　“发热”在计算机领域着实是件麻烦事：普通家用的计算机装个小风机能勉强解决一些问题。但到了大型超级计算机那里，发热就成了大问题。为了节能，世界各国都把大型计算机数据中心建在天气凉爽的地方，比如我国就采取了“东数西算”的办法，把大型计算机中心都放在西部，因为那里夏天气温低。不仅在计算机领域，高压输电线供电领域，也同样适用。我国现在用的高压输电线都是普通导体，电从发电厂传输到个人用户家里的过程中，一部分电能因为导线发热被浪费掉了，如果换成超导输电，能够节省大量的能源。

　　超导现象在1911年被发现，科学家发现，超导体不仅可以做到“零电阻导电”，还不会产生一丁点的热量。好几代物理学家前赴后继地针对超导体进行研究，产生了大量的重要学术成果，这些针对超导体的研究仅诺贝尔奖就得过5次之多。

　　也因此，“超导计算机”成为科学界研究的一个高地，也是各国物理学家的“必争之地”。不过制备超导计算机，一个不确定的因素是——能否把“零电阻双向导电”的超导材料，变成“零电阻单向导电”？如果不能，那对它的一切遐想和努力，基本都会付诸东流。

　　超导体中能否产生“费米面”

　　1965年，德国物理学家Peter Fulde曾做过一个理论语言：如果让超导体中的库伯对动起来，增加其动量，就能导致库伯对破裂，进而在超导体中产生出一种特殊的“分段费米面”。这种费米面，能使得超导体实现“单向零电阻导电”。

　　然而，这仅仅是一个理论预言，58年来从未有实验验证过它的可能性。尽管科学家早已认识到这种猜测的重要性，但没人能证实它的准确性。

　　“费米面”是凝聚态物理学中的一个专用词，它是倒易空间中的表面，在零摄氏度下将占据电子态与未占据电子态分开。形象地说，它就像是装在矿泉水瓶中的水的那一层“表面”。普通导体，都具有费米面。而超导体虽然零电阻导电，但却没有费米面。因为超导体中承担导电任务的不是单个电子，而是两个电子组成的库伯对。

　　Peter Fulde预言的超导体中的“分段费米面”，其实就是一种碎片化的费米面，不如普通导体中的费米面完整，却能带给超导体珍贵的“单向零电阻导电”特性。实现“分段费米面”在实验上十分困难，虽然一直有人尝试，但未能取得突破。

　　贾金锋、郑浩团队与麻省理工学院傅亮团队合作，设计制备了拓扑绝缘体/超导体（Bi2Te3/NbSe2）异质结体系，借助超导近邻效应在Bi2Te3中诱导出超导，得益于Bi2Te3拓扑表面态的费米速度极高的独特优势，只需要很小的库伯对速度，就实现并观察到了预言中的“分段费米面”。

　　他们的研究表明，拥有“分段费米面”的超导体，可以实现正向零电阻导电，反向非零电阻导电的独特现象（约瑟夫森二极管效应），可以用来构建超导计算机，实现无能耗的高效计算。另外，还可以为有限动量超导、库伯对密度波等很多具有重要物理学理论研究价值的课题，提供关键的研究载体。

　　把“异想天开”变成“可能”需要时间

　　贾金锋告诉记者，这项成果的诞生，与上海交大多年来对基础科研工作长期、稳定的支持分不开，“我从进入上海交大工作开始，就一直在做这个体系的研究，我带的学生亦是如此。如果没有学校长期、稳定的支持，我们做不到这些。”

　　基础研究是科技创新源头，在推动国民经济发展、解决“卡脖子”问题，在国际竞争中争取话语权等方面发挥了重要作用。中青报·中青网记者注意到，包括物理学科等在内的基础研究领域，上海交大开辟了一个“基础研究特区”。这个特区给了科学家，尤其是像郑浩这样的青年科学家充足的时间“折腾”。

　　这里的“基础研究特区”，有实实在在的经费和评价制度来支撑。

　　上海交大科研院院长曾小勤介绍，基础研究特区的专项经费有2亿元，其中1亿元来自上海交大，1亿元来自上海市科委的支持。这项计划把科学家们的研究分为A、B、C三大类。其中A、B类为国家级重大基础科研项目，资助经费为500万元以上；C类为青年探索基金，鼓励35岁以下青年教师做一些有可能不产出成果、但意义重大的“高风险项目”，资助经费为50万元。

　　至于一个项目是否值得学校对其进行“投资”，则由该领域院士作为“项目专员”，邀请国内外同行专家进行评议。“考虑到学者们不擅长申报、汇报，这会占用他们很多时间，我们评审一次，就会提供长期、稳定的支持。”曾小勤介绍，以C类青年探索项目为例，申报者实际上只需要提供一份1000字左右的项目内容说明即可，“不看你写过多少论文，主要靠同行专家、项目专员评议，看你的研究内容是否真的要解决一些基础研究领域前沿的、有突破性的问题。”

　　据悉，目前上海交大的“基础研究特区”计划已经支持了6个B类项目和19个C类项目。“这些项目没有中期评估，经费采取包干制。结项评价以同行评价、代表作评价为主，过程管理相对简单。”曾小勤说。

　　郑浩告诉记者，在物理研究领域，这种长期、稳定的支持尤为重要，“我们物理学家喜欢透过现象看本质，也喜欢把不可能变成可能。比如要让超导材料拥有费米面，原本就是一个异想天开的事情。要证明它可行，需要时间。”

　　中青报·中青网记者 王烨捷 来源：中国青年报