作者:陈欢欢 来源: 中国科学报 发布时间:2019/8/2 9:59:43
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许超导电子学一个未来

 


中科院上海微系统与信息技术研究所供图

 

■本报记者 陈欢欢

2009年5月的南京紫金山,春意正浓。

日本国家信息与通信研究机构超导电子学研究组组长王镇像以前很多次一样,回国参加学术会议。没想到,两位访客正在等待他,并带来了一道影响他后半生的选择题。

不请自来的是中国科学院上海微系统与信息技术研究所(以下简称上海微系统所)研究员谢晓明和尤立星。

“我们要在上海建一个超导电子学研究平台,您能不能回来?”谢晓明开门见山。

“超导电子学研究跟半导体电子学一样,要投大钱才能搞起来,以前国内没人做,现在中科院愿意养大这个‘小娃娃’,我很感兴趣!”面对这道选择题,王镇没有犹豫,“我在国外工作二十多年了,现在回国还能抓紧时间再干几年,回!”

果然,之后几年,上海微系统所接连承担中科院A类、B类战略性先导科技专项,成立中国科学院超导电子学卓越创新中心(以下简称超导电子学卓越中心)……从汇聚人才到承担重大项目,再到突破体制障碍、集中力量办大事,超导电子学这个幼小的生命正在中科院茁壮成长。

孕育诞生

超导电子学这个“小娃娃”着实不简单。

超导是指某些物质在一定温度条件下(一般为较低温度)电阻降为零的性质。超导电子学是超导物理、材料科学与电子技术相结合的一门交叉学科。超导器件具有极高灵敏度、低噪声、宽频带等突出优势,可用于半导体器件无法胜任的关键应用。

随着半导体集成电路逼近物理和技术极限,速度和功耗已成为难以逾越的障碍。谁将成为后摩尔时代的接替者?超导数字电路和量子比特电路被认为是未来最有希望的颠覆性技术。

发展这两种技术,都离不开超导电子学。“这也是为什么几十年来,发达国家一直致力于发展超导电子学研究的原因。”谢晓明告诉《中国科学报》。

如果不考虑成本,超导器件和电路堪称“完美”。但是,为了达到超导需要的低温,则必须付出高额成本。在谢晓明看来,这也是我国超导电子学发展落后的主要原因,“早期甚至连降温的液氦都买不起”。

高温超导机理被誉为凝聚态物理皇冠上的明珠,目前尚未完全破解。我国科学家赵忠贤、陈仙辉等人在高温超导材料领域做出了世界领先的研究工作,成为国际舞台上最活跃、最有影响力的研究力量之一。然而在超导电子学领域,我国和国际先进水平存在较大差距,在一些关键领域甚至是空白。

以冶金技术起家的上海微系统所,在超导方面起步很早,我国第一根低温超导线就是在这里诞生的。但是,随着时代进步和学科发展,所领导班子意识到,研究所的主攻方向必须根据自身优势和国家需求动态调整,不能沿惯性发展。在不断的自我改革和调整中,2006年,上海微系统所原所长、时任中科院副院长江绵恒拍板,将超导电子学确定为上海微系统所的主攻方向之一。

“江院长当时明确指出,中科院要立足解决国家重大需求,不一定立刻产生巨大经济效应,未来会有重大应用的就应该投入。”谢晓明回忆说。

果不其然,经过几年积累,2012年,上海微系统所迎来一次重要的发展机遇,牵头承担了中科院B类战略性先导科技专项“超导电子器件应用基础研究”,参与单位包括中科院紫金山天文台、上海硅酸盐研究所(以下简称上海硅酸盐所)、中国科学技术大学(以下简称中国科大)等。为了协调各单位协同创新,又成立了中科院上海超导中心,王镇担任首席科学家,谢晓明是专项负责人和中心主任。

先导专项不仅给了各参与单位一个更大的舞台,也让他们感受到协同创新的力量。“放眼全国,要想打破各单位界线、集合最强的力量搞超导电子学,中科院具有得天独厚的条件。”谢晓明说。

当时,除了高温超导滤波器,我国基本不具备可靠的高性能超导器件自主供给能力。而国外对我国严格禁运高性能超导器件,只有纯基础研究及苛刻限制条件下的超导量子干涉仪才能少量进入国内。

“联合起来干大事,在国际上占有一席之地”,成为大家共同的心声。

中科院筹备试点建设一批卓越创新中心之际,几家单位一拍即合。2015年10月23日,由上海微系统所牵头,上海硅酸盐所、中国科大、上海科技大学等多家共建的中国科学院超导电子学卓越创新中心正式获批。谢晓明和王镇再次联手,分别担任主任和首席科学家。

为发展超导电子学前沿学科,满足国家对超导电子技术的战略需求,超导电子学卓越中心打破研究所围墙,把全院超导电子学相关的顶层力量全部汇入这一协同创新的全新体制中。围绕中科院“三个面向”“四个率先”办院方针及上海市建设具有全球影响力的科技创新中心目标,聚焦物理前沿交叉、先进材料和信息等重大创新领域,旨在建成具有“全球视野、国际标准”的超导电子学研究机构。

“做科学家尤其是应用学科的科学家,必须把自己的研究与国家的战略需要联系起来,通盘去想,布大局、做大事。”时任上海微系统所所长、中国科学院院士王曦如是说。

中科院超导电子学卓越创新中心集体合影

志存高远

集结了中科院最强的力量搞改革,就必须有开创性的举措、产出重大成果、带来实实在在的成效。

自成立起,超导电子学卓越中心就瞄准具有国家重大需求的硬骨头——超导传感器、探测器、量子比特和数字电路。

超导数字电路有望同时跨越速度和功耗两项半导体电路的物理瓶颈,是国际上后摩尔时代的重要备选方案,我国仍处于空白状态;超导量子比特可指数级提高计算能力,成为发达国家和国际大公司——IBM、谷歌公司、阿里巴巴网络技术有限公司等竞相争夺的颠覆性技术高地;超导传感器和探测器可以将电磁等信号探测能力提升至量子极限,支撑国家重大需求,我国同国外差距明显。

“如果在关键技术上无法实现自主化,未来谈基于超导的系统优势无疑是空中楼阁。”谢晓明说。

为此,超导电子学卓越中心决定聚焦量子材料与物理、超导器件与电路基础研究和前沿应用探索,全面发展我国超导电子学学科。未来目标则是新材料、器件物理和核心器件研究产生学术影响,实现自主可控,取得重大应用示范。

从零开始建造超导电子学的“大厦”,超导电子学卓越中心不乏勇气,亦探索出一套独具特色的组织运行模式。“多数卓越创新中心以基础研究为主,我们的特点是既有基础又强调应用,跟应用接口很近,打造材料—器件—应用一体化的创新生态环境。”谢晓明说。

目前,超导电子学卓越中心设置材料与物理、器件与电路、应用探索3个研究部,分别由陈仙辉、王镇、谢晓明担任学术带头人。

谢晓明认为,3个研究方向相互关联:新材料一旦突破便可以为整个超导电子学带来颠覆性变革,器件和电路研发的最终目标是走向应用,应用反过来对器件提出技术要求,最终形成良性循环。

从材料到应用的链条非常长,卓越创新中心在选择合作伙伴时也必“精挑细选”。

中国科学院院士、中国科大教授陈仙辉介绍,我国70%以上的“卡脖子”技术与材料相关,国内超导研究虽然力量强大,应用研究却较为薄弱,缺乏整体布局;而超导电子学卓越中心的超导电子学相关应用研究代表了我国的最高水平,就必须承担起解决“卡脖子”技术难题的责任。

在超导材料和机理研究上,陈仙辉做出过世界级研究成果,曾经获得国际超导材料领域最高奖马蒂亚斯奖和国家自然科学奖一等奖。进入超导电子学卓越中心后,他坦言最大的改变是思想观念的改变。“以前我只做基础研究,现在发现应用基础研究很重要并且不容易,我也在不断调整自己,希望能够发现新的超导材料,未来应用于器件。”他说。

工欲善其事,必先利其器。依托高端器件研发平台,辅以先进材料与物理研究手段,上海超导中心的超导电子学器件工艺平台是目前全国唯一一条大规模集成工艺线,成为超导电子学卓越中心不可替代的核心竞争力之一。

上海微系统所超导实验室主任尤立星认为,该平台将扭转中国超导电子学几十年来难以发展壮大的局面。“这里有最好的平台、能出成果,这才是未来发展的关键,所以我们的团队也比较稳定。”

在明确科学目标的牵引下,在高性能平台的吸引下,超导电子学卓越中心不断“扩容”。2018年,中科院物理研究所和理化技术研究所分别有团队相继加入。

王镇表示,尽管美国日本发展了几十年,但其先进的研究机构只专攻一个方向和细分领域,卓越创新中心却能发挥中科院的长处,把超导电子学所有研究方向集中起来,实现不同技术间的互联互通。“从超导电子学学科布局来说,超导电子学卓越中心是国际数一数二的。”王镇自信地说。

朝气蓬勃

2008年,在美国一家小型高科技公司担任工程师的任洁在芝加哥举行的一次国际会议上见到了尤立星,这让她很意外。“那是我第一次知道国内有人有兴趣做超导集成电路,中国之前的名声都是在超导材料上。”任洁回忆说。

彼时,尤立星刚刚离开美国国家标准与技术研究所,来到上海微系统所任职。科研之外,协助谢晓明“找人”成为他的一项重要任务。

2015年9月,超导电子学卓越中心正式获批前夕,任洁全职回国,快速建立起一支队伍投入超导集成电路研发。这让谢晓明大大松了一口气。此前,我国在超导集成电路研究方面几乎没有任何经验,而任洁从研究生开始就一直从事相关研发,具有十多年经验。

之后两三年,通过人才引进通道,超导电子学卓越中心陆续引进五六名青年人才。考虑到工作任务重、压力大的特点,上海微系统所设立了“管理特区”,在人员考核、薪酬、招聘、人才计划及科研用房等诸多方面给予资源配置,有针对性地支持青年骨干人才成长。

研究超导量子计算的林志荣研究员在回国前已经申请了设备购置,因此,他正式回国后仅半年时间就将实验室搭建起来。他说:“超导电子学卓越中心给我最大的感受是朝气蓬勃的氛围。”

从多领域空白到全链条覆盖,超导电子学卓越中心对人才的需求是全方位的,对人才的培育也采取了分层级、分类别、分阶段的“网格式”方法,人尽其用。

例如,依托国际联合实验室、外聘客座教授等平台,为青年骨干提供出国深造和交流的机会;依托超导电子学工艺平台,引进和培养技术支撑人员;重视初中级青年人才和博士后培养,对优秀博士后试行“超级博士后”协议年薪制。

在国际合作方面,从2006年起,德国于利希研究中心教授张懿就在上海微系统所担任兼职教授,帮助研究所从零起步发展超导传感器。如今,他每年有6个月时间待在上海的实验室。双方多次联合举办中德合作研讨会,联合培养25名博士研究生,还成立了功能材料与电子器件虚拟联合研究所。

现在,超导电子学卓越中心建立起79人的队伍。其中,高级职称人员占73%,30~40岁的青年人才占比超过一半。

从国际舞台上的陌生面孔,到全世界几乎规模最大的超导电子学团队,这条路走了10年。为了保证这支队伍走得更快、更远,超导电子学卓越中心在管理结构上设立“一轴两翼”的框架——“一轴”为技术核心轴,“两翼”分别为行政管理支撑翼及技术服务支撑翼,小到填表报销、灯管维修,大到野外后勤保障、增量资源争取等,为科学家提供全方位的支撑服务。

上海微系统所副研究员荣亮亮对此体会颇深。他所在团队自主研发的超导探测器可进行高精度探矿,灵敏度比传统方法高3个数量级,就像给近视眼的人配上了眼镜。但探矿工作往往都在偏远野外开展,塔吉克斯坦的一次经历就令荣亮亮记忆犹新。当时由于强烈的高原反应,许多队员达到第一周都不得不卧床休息,最终靠吃止疼药坚持完成了为期两个月的探矿实验。

跟着技术团队一起出野外的,还有中科院超导实验室行政副主任、党支部书记张为带领的一支行政支撑团队。他们承担了后勤保障、安全保卫、设备运输、直升机租赁、液氦供给、野外衣食住行等系列事务性工作,与科研人员一起克服风餐露宿、蚊虫叮咬的艰苦野外条件。

“超导团队是我们所的骄傲。”张为说,“我们的任务就是尽量给科研人员减负,解决他们的后顾之忧。要坚持做好定人心、暖人心、聚人心的工作。”

在微电子行业,如果选择去企业工作,待遇诱人,很多年轻人却愿意留在超导电子学卓越中心,坚守科研岗位。除了事业平台,这种全方位的人才支撑服务工作,也使得中心成为能招来人、也能留下人的地方。

超导单光子探测系统内部照片

超导电子学器件工艺平台

茁壮成长

从两三个人的团队到多单位协同创新,从小规模研究到承担先导专项,从单元器件到集成电路……在探索超导电子学的道路上,由于没有经验积累,超导电子学卓越中心一直是摸着石头过河。

执行B类先导专项时开展的实质性合作,为后来超导电子学卓越中心的科研工作打下了坚实基础,令中心学术带头人印象深刻。

“上海和合肥在地理位置上很近,交通也方便,我有研究生在上海微系统所做研究,所里也有学生在我实验室工作,我们之间交流一直很多。”陈仙辉说。

为了推动所校合作,上海微系统所和中国科大物理学院共同建设了“吴自良超导英才班”,与上海科技大学物质学院联合成立“量子电子学联合实验室”,为培养和储备优秀人才打下基础。处于同一个园区内的上海硅酸盐所更是上海微系统所的“老伙伴”,双方定期召开联合组会,共同开展超导新材料探索,还实现了两个团队间的高效设备共享。

高效的合作给超导电子学卓越中心带来了丰硕成果。

在材料方面,陈仙辉研究组与上海硅酸盐所黄富强研究组联合,先后发现新型LiFeOHFeSe等FeSe基及FeS化合物等多种超导材料,成功发明固态离子导体场效应晶体管,实现了对高温超导电性的调控。

在器件方面,上海微系统所和中国科大的合作堪称典范。双方从最初两个研究小组间的合作,发展到“超导电子器件应用基础研究”与“量子系统的相干控制”两个中科院B类先导专项的合作,并于2015年10月上升至“超导电子学卓越创新中心”与“量子信息与量子科技前沿卓越创新中心”两个卓越创新中心间的合作。双方还联合成立“超导量子器件与量子信息联合实验室”,历经十年,精诚合作,将自主研发的高性能超导纳米线单光子探测器成功应用于量子信息,多次创造量子信息应用的世界纪录。

在应用探索方面,谢晓明研究组自主研发了多通道无屏蔽心磁图仪并实现技术转化,取得二类医疗产品注册证;与吉林大学合作研发地球物理探测超导瞬变电磁接收机,和公司合作在我国河南、云南和塔吉克斯坦等地成功开展应用验证实验;参与中科院地质与地球物理研究所牵头承担的重大科研仪器研制项目;联合中科院多家单位成功研制出中国第一套、世界第二套航空超导全张量磁梯度测量系统。

谢晓明认为,学科交叉融合是科技创新的重要趋势之一,面向未来,超导电子学卓越中心将用好这个“重大任务的载体”,依托创新管理机制,继续推进体制改革,组织协同各单位优势力量,共同实施跨学科、跨领域的重大科技任务和技术攻关,努力实现从跟踪到自主创新的跨越,发展成为具有全球影响力的超导电子学研究中心。

2018年2月,中科院A类先导专项启动实施。超导电子学卓越中心迎来新一轮挑战。

谢晓明表示:“从上世纪五六十年代至今,超导研究经历了多次高潮和低谷。我们能做的是做好技术储备,让超导梦早日实现。”

在陈仙辉看来,协同创新是解决超导电子学“卡脖子”技术的必经之路,但我国目前只是站在了漫漫长路的起点上。“这些年通过超导电子学卓越中心的积累,我们打下了很好的基础,但还要在基础研究、技术发展和人才资源上继续积累,潜心研究,戒骄戒躁,坚持到底!”

王镇则认为,让超导电子学这个新生命茁壮成长,除了能力,还需恒心。超导电子学在国际上目前仍未形成经济效益,很容易半途夭折。这也是发达国家玩得起而我国长期落后的原因之一。“我们已经在这个‘孩子’身上投入10年时间,希望能看到他长大成人。”他说。

《中国科学报》 (2019-08-02 第4版 纪实)
 
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