作者:韩扬眉 来源:中国科学报 发布时间:2022/2/11 23:24:57
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金魁:“80”后科学家的高温超导“探险”之路

 

一楼拐角的头一间屋子,就是金魁的实验室,大约50余平米,像是构筑了一个“蒸汽朋克”般的科技世界,一台复杂精密仪器占据了房间的一半。站在它面前,金魁充满着期待,也感受到了压力。

对于他即将开展的工作来说,这台仪器是核心之一。

那是2012年,金魁31岁,他被聘为中国科学院物理研究所(以下简称物理所)特聘研究员,把自己所有的人才经费投入了这台仪器。他很清楚要通过这台仪器解决的科学问题——利用材料基因的技术,加速高温超导定量化物理规律的探索。

但怎么做?考虑现实情况,能否在五至十年实现目标,金魁心里还是有些忐忑。

直到今年2月初,他总算暂时“松”了口气,被他命名为“连续组分单晶薄膜与匹配的跨尺度表征技术”完成的一项重要实验成果,在《自然》杂志刊发。更重要的是,两位国际审稿人不约而同地给出了“Tour de force”(绝技)的高度评价。他也受邀将在今年的美国物理学会三月会议做邀请报告。

“十年磨一剑”

高温超导研究已有110多年历史了,至今仍是物理学界最重要的前沿问题、最难攻克的科学问题之一。高温超导的机理是未解的跨世纪“谜题”,解决这个难题的关键是要找出重要物理量之间的关系,并定量化表达。找到一个重要的规律,往往需要数十年甚至几十年的时间,也面临着实验精度的重大挑战。

2011年,美国提出了“材料基因组计划”,意在通过结合使用计算能力、数据管理和新的综合性实验方法,使材料物性研究和应用的效率更高。这在材料、能源等领域都得到广泛关注。

“险”就在于把高温超导和材料基因做融合。

在美国马里兰大学做博士后时,金魁跟随两个导师分别开展高温超导和材料基因方法学探索研究。他通过单晶薄膜成功获得了完整的相图,发现高温超导两个关键物理量——奇异金属(如线性电阻)与高温超导转变温度存在定性联系。这项实验成果在2011年《自然》杂志刊发。

2012年,是金魁作博士后的最后一年,他想回国后继续发展新一代高效率材料基因技术,并融入高温超导研究中。这个想法跟导师们商量时,导师们摇摇头,觉得“very tough”。

2012年12月25日,圣诞节当天,金魁带着一家人从美国飞回了北京。第二天,正式入职物理所超导国家重点实验室。“回到超导实验室了,就是要攻坚难题。”金魁的决心很坚定。

最难的环节,是如何找到奇异金属与高温超导转变温度定量化的关系。唯一也是最好的办法,是需要在合成材料中不断地“试”。

“相当于配一副中药,调试合适的配方。”金魁解释。不同的是,他们调的是原子级别的元素,调试的精度在千分之一甚至万分之一,在每一次调试配比时,捕捉其变化过程,最终找到定量的“数值”。

而更难的是,要保证在变化过程中,原子能排列整齐有序。

可靠的统计物理规律需要更多可靠实验数据,传统的研究手段在合成系列化学组分的单晶薄膜时需要数年的时间,而且控制精度有限。美国国家实验室一个团队在2016年描述了超导另一个定量规律时,用了12年、2000多个样品。

“传统的‘试错型’实验方法效率低,很难进一步实现从定性到定量的认识。”金魁告诉《中国科学报》。

因此,回国的前5年,金魁和同事们带着研究生大多时间都在做设备,发展了新一代连续组分超导单晶薄膜制备及跨尺度表征技术,并将物性识别率提升两个数量级。

走通了流程,接下来就是快速“收割”高质量数据。在金魁看来,这是从量变引起质变的一个过程,即通过大量可靠的实验数据找到统计物理规律。

在这条交叉创新的“探险”之路上,金魁率领团队前后历经7年时间、毕业了5届博士生,最终揭示了奇异金属散射和高温超导转变温度之间的普适物理规律,实现高温超导定量化认识道路上的一个重要突破。

打破封锁

2015年,一台比之前更加高精尖、复杂的仪器诞生了,就在旁边一间20余平米的实验室,它占据了几乎整个屋子。

与之前不同,金魁更多的是激动和骄傲。

在这台仪器中,一面有着900多度的“极高温”、一面有着零下260多度的“极低温”,科学家们通过操作,让原子面貌及其特性关系在“两极”之间显露无疑,精准且稳定。

它是当前国际上最先进的第四代高通量制备与原位电子态表征实验设备,具备多项独特优点,被认为是“将成为材料基因研究的重要工具。”

过去30多年里,高温超导研究在以赵忠贤院士为代表的几代人的努力下,在中国扎根并跻身国际前列。“我国虽然属于全世界超导研究的前排梯队,但实验室中的高精尖制膜设备却严重依赖进口,尤其是发达国家在关键核心技术和设备上对我国实施禁运封锁,导致我国在高质量应用型‘薄膜’和‘制膜精尖设备’受到掣肘。”回国后,金魁带领团队走出了一条独特的超导薄膜技术路线。

一开始,由于相关技术在我国还未有成熟先例。金魁团队先从国外购买一套先进的激光镀膜设备,能够做出的高温超导薄膜尺寸小,只够作科研用。

金魁表示,国外公司同意卖给我们小尺寸薄膜制备设备,做出的样品主要是用于基础研究;但要买能投入实用的大尺寸薄膜制备设备,他们就拒绝了。“更重要的是,国外设备只能实现单面薄膜的制备,无法满足团队需求。”

中科院仪器研制项目的资助下,金魁与团队骨干袁洁主任工程师带领着学生,与物理所郇庆主任工程师团队合作,对系统进行了反复地设计优化和改进,研发历时5年多,仅图纸设计版本多达40多版,最终完成了全面的性能指标测试。

这是技术路线的第一步——尖端化,但投入应用,成本较高。2019年,金魁和赵忠贤院士在东莞松山湖材料实验室建成了一支10人左右的“实用超导薄膜”研究团队。

“在松山湖,我们不需要考虑发文章,真正专注、全力以赴地解决应用难题。”金魁说。

2021年年初,他们通过技术集成创新,成功研制出基于国产部件的“三光束脉冲激光共沉积镀膜系统”,并制备出大尺寸双面钇钡铜氧(YBCO)超导单晶薄膜,为我国制备高品质、应用型超导薄膜产品技术带来新突破。

“我们用了近8年时间,走出了一条从定制到设计,再到核心部件国产化,最后整机国产、尖端、实用化的技术路线,最终解决大面积镀膜设备‘卡脖子’问题。”金魁说。

如今这台国产仪器正在向外拓展着,期待被加持着更多“技能”。

团队力量

“攻克这些难题,都是几年不出成果,你能不能扛住?”这个问题,金魁被问过无数次。

金魁说,这不是依靠他一个人,背后是整个团队的力量,尤其是有一批优秀的学生。

他有管理团队的“妙招”。在团队里,金魁把“硬骨头”作为科研主线,同时针对超导领域其它的物理问题和应用基础作为科研“复线”,由“复线”撑着,保证实验室的正常运行和持续发展,而主线慢慢往前走,这样不至于“弹尽粮绝”。

“不过有时候,找到愿意跟我们一起发展技术的学生也比较难。”金魁说。

冯中沛是金魁的博士生。在物理所时,金魁发现冯中沛擅长做超导薄膜和仪器研发,但写论文“很头疼”。因此,在“实用超导薄膜”研究团队组建之时,金魁建议冯中沛到松山湖实验室做赵忠贤院士的博后,开展应用研究工作。

在这里,他的热情和能力充分被激发。冯中沛就是“三光束脉冲激光共沉积镀膜系统”的主要设计和搭建者。

人品和团队合作意识,是金魁最为看重的学生培养的两大品质。

金魁时常告诉学生,一定要与不同的团队多交流,把自己以前所学的知识带到一个新团队,跟他们的方向交叉融合,然后找到适合自己的方向。

“不管哪个学生,只要需要,我可以帮他们联系所内外老师,甚至国外团队。我鼓励我的学生去跟外面的人交流,帮他们创造条件。”在金魁看来,某种程度上,他也在跟着学生学习。

从金魁研究组出去的学生,很受欢迎,他们被看重的,是知识扎实、技术过硬、特色鲜明。

一位朋友将科研工作者分为探险者、导游和游客,问金魁愿意做哪种?

“我不是天赋型选手,但想做个探险者。”金魁说,“前路更需坚定、专注,需要足够耐心。”

金魁正在做实验(摄影/李子峰)

金魁(中间)正在与学生讨论实验(摄影/李子峰)

 

 

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