金魁|他在高温超导世界里练出“绝技”

■采访人员 韩扬眉
金魁的实验室在一楼拐角第一间 。打开门,一个“蒸汽朋克”般的科技世界跳入眼中—— 一台复杂而庞大的精密仪器,占据了50多平方米的房间的一半 。
站在它面前,金魁充满期待,也感受到了巨大压力 。
那是2012年,31岁的金魁回国被聘为中国科学院物理研究所(以下简称中科院物理所)特聘研究员,他把自己所有的人才经费投给了面前的这台仪器 。对于他即将开展的工作来说,从国外定制的这台仪器是核心之一 。
他很清楚通过这台仪器想要解决的科学问题——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5年至10年内实现目标?对此金魁心里还是有些忐忑 。
直到今年2月17日,金魁总算暂时松了口气 。他带领团队在这台仪器上开发了材料基因技术——“连续组分超导单晶薄膜制备及跨尺度表征技术”,并利用该技术揭示了30年未解的高温超导定量化物理规律 。该成果在《自然》杂志上刊发 。
“绝技”(Tour de force)——两位国际审稿人不约而同地给出了这一高度评价 。金魁也受邀在今年的美国物理学会三月会议上做报告 。
让美国导师摇头的想法他在国内实现
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和最难攻克的科学问题之一 。其中,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找出重要物理量之间的关系,并定量化表达 。而找到一个重要规律,往往需要几年甚至几十年时间,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、能源等领域得到广泛关注 。
那时,金魁在美国马里兰大学从事博士后研究,跟随两位导师分别开展高温超导和材料基因方法学探索研究 。
寻找规律,或许能从一类关键的高温超导体系La2-xCexCuO4(LCCO)中找到答案 。LCCO是唯一覆盖全超导掺杂区的电子型高温超导体系,但只能以单晶薄膜的形式稳定存在 。
于是,他首先获得了系列高质量单组分LCCO超导单晶薄膜,通过单晶薄膜成功获得了完整的相图,并从该图中发现了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 。这项成果2011年刊发于《自然》杂志 。
2012年,金魁即将结束博士后研究,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 。当他跟导师们分享这个想法时,导师们摇摇头,觉得“very tough”(非常难) 。
2012年12月25日,金魁回了北京 。第二天,他正式入职中科院物理所超导国家重点实验室 。“回到超导实验室,就是要攻下难题 。”
难题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,是在合成材料中不断地“试” 。
“相当于配一服中药,调试合适的配方 。”金魁解释道 。不同的是,他们调的是原子级别的元素,调试的精度是千分之一甚至万分之一,要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” 。
更难的是,要保证变化过程中原子排列整齐有序 。
可靠的统计物理规律需要更多可靠的实验数据,而传统的研究手段需要数年时间才能合成系列化学组分的单晶薄膜,而且控制精度有限 。美国一个团队在2016年描述了超导的另一个定量规律,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》 。

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