陳根富：超導領域的執著探索者

本刊記者 呂夢遠

生于魚米之鄉的安徽池州，北上來到干旱半干旱地區的古都咸陽學習材料科學，之后又遠赴日本、德國繼續研習。在國外學習、工作近十年后，他選擇了回國，從頭開始創建實驗室。重費米子超導、鐵基超導、有機超導、其他新型非常規超導材料探索和物性表征……他十幾年如一日執著在超導探索的路上。

一路走來，他已經發表了140余篇SCI論文，他人引用8000余次，也因此被湯森路透評為2014年全球“最具影響力科學家”、“中國引文桂冠獎——最具國際引文影響力獎”。

他叫陳根富，現在是中國科學院物理研究所研究員、博士生導師、超導國家重點實驗室SC10研究組長。

北上選擇材料科學

安徽池州，北臨浩蕩長江、南接雄奇黃山、西與廬山相望，內轄九華山。這里，層巒疊嶂、河湖交錯，一派江南水鄉好風光；這里底蘊深厚、博大精深，是名副其實的魚米之鄉……這些，或許正是上天給予的饋贈。陳根富就出生在池州東南部連綿群山腳下的一個山村，家的周圍有著大片的竹林，從小是呼吸著山中清新的空氣、聞著沁人的竹香長大的。

轉眼到了上學的年齡。通往附近唯一一所小學最近的路位于山間的夾縫，不僅人煙稀少，而且樹木林立、雜草叢生。徒步走完單程需要一個半小時，每天往返則需3小時。父母忙于田間勞作，根本無暇送孩子上學。家中沒有鐘表，母親憑著生活經驗，每天看著夜空的星星起床為根富簡單地做點飯，然后看著幼子獨自一人走入黎明前的黑暗中。有過孤獨與害怕，記不清多少次朝露打濕衣衫，在通向知識的山間小路上，日復一日、年復一年，這個瘦弱、淳樸的少年逐漸磨礪得如翠竹般堅韌、頑強。

1991年，陳根富走出大山，考入西北輕工業學院。學院1958年成立于北京，原名北京輕工業學院，1970年遷至咸陽，并更名為西北輕工業學院（后遷至西安），是中國西部地區唯一一所以輕工為特色的國家重點院校（2002年更名為陜西科技大學）。陳根富攻讀的是材料科學工程專業。這是一個材料科學與工程技術相結合的新型學科，將化學、物理等基礎學科與材料制備、加工、檢測、應用等融為一體。在相對缺水的干旱半干旱城市——咸陽，陳根富度過了4年大學生涯。之后，他考上研究生繼續在材料科學工程系攻讀碩士學位。

1998年，陳根富獲得日本文部省獎學金，赴日本名古屋工業大學留學。這一去，就是八年，先后獲得名古屋工業大學的碩士和博士學位，并獲得日本學術振興會資助，在名古屋大學從事博士后研究。名古屋工業大學是一所創立于1905年的國立大學，在全日本的理工科中占有重要地位。導師不僅以身作則、常常加班到凌晨1點，而且對學生要求也是如此，下班前都要檢查學生的工作。與此同時，導師非常注重培養學生的獨立研究能力，直接指導很少，更多的是讓學生自己廣泛閱讀文獻，提出研究課題和實驗方案，通過大量的實驗、分析數據寫出論文。在陳根富設計好實驗方案、準備做實驗時，發生了一個小小的插曲。研究組內的一位同學總是以各種借口，不讓這個遠道而來的中國青年使用實驗設備。幾番忍讓之后，陳根富終于忍無可忍，直接找到那位同學交涉，再不讓用設備，就要和他決斗。此后那位同學連續幾天都沒來實驗室，再見到陳根富時亦是客客氣氣。當然，贏得他人尊重靠的不僅是不卑不亢、敢于直面的勇氣和膽魄，更是勤奮好學、在學術上展現的才華。

近20年的探索，陳根富在重費米子超導、鐵基超導、有機超導、其他非常規超導材料探索和物性表征方面，取得了一系列有重要意義的研究成果：2002年發現了新重費米子超導體Ce2CoIn8，這是自上世紀70年代末報道重費米子超導以來發現的第三例常壓重費米子超導體；2006年發現了重費米子體CeRhIn5常壓下的體超導電性，突破了人們對CeRhIn5的傳統認識；2007年年底在國內率先開展了鐵砷高溫超導材料的探索合成，并于2008年年初繼日本小組突破之后，獨立發現了超導臨界溫度超過40K的新鐵基超導體CeFeAsO1-xFx及其他多個超導體系；2012年發現了常壓下具有最高超導轉變溫度的新型有機超導體Kxdibenzopentacene，在少層石墨烯中實現了超導電性；2013年發現了系列新型電荷密度波超導體PdxRETen；最近通過實驗首次證明了TaAs為三維外爾半金屬。2009年9月，獲香港求是基金會“杰出科技成就集體獎”。

轉折在鐵基高溫超導

2007年9月，陳根富結束了在德國馬普固體化學物理所的研究，回國到中國科學院物理研究所工作，開啟了一個新的征程。

正如大多數科學研究都是建立在前人的研究基礎之上，含有Fe元素的超導材料研究亦不例外。20世紀70年代末，德國W.Jeitschko教授首先發現了充填式方鈷礦稀土過渡族鐵磷化合物LaFe4P12，后來有研究報道在這種材料中觀察到超導現象，其轉變溫度為4.1K。上世紀90年代，W.Jeitschko教授又發現了LaFePO材料。2006年日本細野秀雄教授研究組報道了LaFePO的超導電性，其超導轉變溫度為4K。因為這些材料的超導轉變溫度都很低，沒有引起重視。2008年2月18日，細野秀雄教授研究組發布新聞，報道LaFeAs(OF)多晶材料具有26K超導電性，這一新聞讓同樣正在鐵砷超導材料研究領域耕耘的陳根富既興奮又焦急。

早在2006年，陳根富在德國馬普學會固體化學物理所做訪問學者時，就對LaFePO材料很感興趣，當時所在的研究組正在合成CeFePO、CeRuPO等材料。基于在稀土-過渡族化合物探索方面積累的豐富經驗和敏銳洞察力，陳根富認為用As取代P，在此類二維層狀鐵砷化合物中可能會出現超導等一些非常規的物理性質。因此2007年9月一回國加入中科院物理所王楠林研究組，他就提出了LaFeAsO、CeFeAsO等材料的研究計劃，一邊購置手套箱、晶體生長爐等設備建設材料實驗室，一邊開始了LaFeAsO鐵砷超導材料的探索制備。稀土元素鑭、鈰等容易氧化，砷在空氣中又可能氧化生成砒霜。因為缺乏手套箱等基本設備，陳根富沒有進行LaFeAsO材料的多晶制備，而是從難度更大的單晶生長入手，這需要很長的時間摸索生長條件和工藝。正是在摸索鐵砷單晶生長的過程中，細野秀雄研究組發布了LaFeAs(OF)多晶材料具有26K超導電性的新聞。這一新聞既讓陳根富更加堅信自己正在從事的研究課題意義重大，同時也讓他感受到了錯失寶貴先機的遺憾，當然更多的是一場激烈的國際競爭即將隨之而來的緊迫。從此，他開始了每天奮戰20個小時的生活，常常是凌晨一兩點才回家，四五點又回到了實驗室。

由于之前生長鐵砷化合物單晶時積累了不少經驗，陳根富很快就在剛調試好的手套箱上，以一種新的合成工藝制備出高品質的LaFeAsO1-xFx超導多晶樣品，與同事們一起迅速測量了樣品的物理性質，發現該材料具有很高的上臨界場，通過霍爾效應測量發現了該系統為很低濃度的電子型載流子超導體。王楠林研究員用紅外光譜系統測定了超導能隙的大小等。這是在細野秀雄研究組的突破之后，在國際上開展的第一項鐵基超導體物理特性的研究工作，于2008年3月3日張貼在物理學家廣泛關注的arXiv網站，這也是該網站關于鐵基超導體的第一篇文章，推動了鐵基超導體的研究熱潮。

與此同時，陳根富用稀土元素Ce替代La，進行CeFeAsO鐵砷超導材料的合成。得知他正在進行這一研究工作，同事不解甚至表示了懷疑。盡管不被看好，但是心中認定的事情，沒有什么可以動搖，這個從大山中成長起來的倔強青年越發卯足了勁，要用實驗結果來證明自己。2008年3月17日，摻F的CeFeAsO多晶樣品出爐，由于事先預約的綜合物性測量設備（PPMS）已被占用，沒能及時進行測量。后經協調騰出了機時，3月24日清晨得到的測量數據確認了CeFeAs(OF)為新的高溫超導體，經進一步系統測量，確認超導轉變溫度為41K，有力地證明了鐵基超導體是繼銅氧化物超導之后又一類非傳統的高溫超導體。這一發現成為鐵基系統超導轉變溫度大幅度提高的最重要進展之一。隨后他還獨立發現了空穴型超導體(Sr,K)Fe2As2及其他多個超導體系，系統研究了多個鐵砷體系的電子相圖。

在新材料物性的前沿研究中，高品質的實驗樣品至關重要，因為它可以排除其它因素的影響，給出可靠的實驗數據，并測出普通樣品看不到的物理性質。在激烈的國際競爭中，當和競爭對手擁有同等水平的物性測量手段時，實驗樣品的優劣在很大程度上決定了成敗。在鐵基超導研究如火如荼的日子里，陳根富不僅要探索新的鐵基超導體，還要為其他超導機理研究組提供大量高品質的實驗樣品，夜以繼日地奮戰在實驗室。當時很多國外研究組苦于沒有高品質的樣品，做不了實驗，紛紛向物理所請求樣品支援。美國普林斯頓大學的一位教授在電子郵件中甚至提到請諾貝爾物理學獎得主P.W.安德森給物理所所長寫信，希望拿到一些鐵基超導單晶樣品。面對國外知名小組的合作邀請，陳根富沒有猶豫，將生長出的國際一流的鐵基超導多晶和單晶樣品，優先提供給了國內同行，開展角分辨光電子譜、中子散射、核磁共振等超導機理研究，為中國科學家在鐵基超導機理研究方面引領國際前沿做出了不可或缺的重要貢獻。其中，與中科院物理所千人計劃入選者戴鵬程研究員合作，通過中子散射研究LaFeAsO1-xFx的磁結構和磁激發，論文于2008年6月發表在《自然》，迄今SCI他引1000余次。與千人計劃入選者丁洪研究員合作，利用角分辨光電子譜，在國際上第一個觀察到鐵基超導體Ba0.6K0.4Fe2As2的超導能隙及其對稱性，被國際同行認為是對鐵基超導體的s-波對稱性的建立具有奠基性意義的工作。

2009年9月，陳根富與其他7位研究人員一起獲“求是杰出科技成就集體獎”。這一獎項由香港求是科技基金會設立，基金會由資深學者擔任顧問并全權負責獎項的遴選和審定，顧問中包括多位諾貝爾獎得主。1994年以來的20年里，共授予“杰出科技成就集體獎”85位，涉及12個重大科研項目，除鐵基超導外，還有如青蒿素、人工合成牛胰島素等。

躬耕在中國

1998年從西北輕工業學院走出去，2007年從德國歸來，出去轉了一圈，花了近10年的時間。談到回國，陳根富說：“國外的生活環境，其實還是很不錯的。尤其在德國，生活很舒適，生態也很好。從做科研的角度來講，國外的環境也是相對寬松的，它會給你足夠的時間思考問題，只要你有好的思想，你有興趣去做，你去做就好了。不用考慮一年必須寫幾篇文章，也沒有量化的指標來考核。之所以選擇回國，其實很簡單，就是想自己做點事，還有就是想念家鄉的味道”。

剛回國的陳根富，異常忙碌，他要在中國科學院物理研究所建一個自己的材料實驗室，繼續自己喜歡的超導研究。每天忙著新分配實驗室的水、電改造；了解各類手套箱、晶體生長爐等設備的生產廠家信息，挑選所需的型號、技術參數；跑五金商店購買各種零部件、小工具……日子過得快樂而又充實。

中國科學院物理研究所是在國際上享有一定聲譽的物理學研究機構，有著悠久的歷史和豐富的成果，以及鼓勵創新的文化氛圍和先進的管理理念。在這樣一個大家云集、人才薈萃的地方，陳根富感到有一種無形的力量推著自己不斷努力前行。因為在超導研究領域展現的出眾才華，回國不到一年，陳根富就破格晉升為研究員。又一年后，他獲得2009年度“求是杰出科技成就集體獎”，并入選教育部2009年度“長江學者獎勵計劃”特聘教授。令人羨慕的成功背后，是多年默默辛勤耕耘的付出和執著。

習慣泡在實驗室的陳根富很少出去放松。他笑稱，自己是個缺乏生活情趣的人，除了工作，幾乎沒有什么其他愛好。每天他到所里第一件事就是去實驗室，有時實驗前的準備工作一做就是七八個小時，等到所有環節都處理好時才發現，不僅早飯、午飯沒吃，甚至連水都沒喝上一口。他不僅對自己很嚴格，對學生也極其嚴格。家中床頭的計算機連著實驗室的物性測量系統，即便是在家中，他也實時監測著實驗數據，指導學生及時發現和處理各種問題。

不僅要求學生養成勤儉節約的科研習慣，陳根富自己更是身體力行。回國后的他，再沒有出過國門，盡管一再有國際會議邀請他去做學術報告，有學者邀請他去合作研究。甚至在國內，他也極少出差。不是自己沒有科研經費，也不是邀請方沒有贊助旅費，而是他更希望將這些錢直接用在實驗研究上。妻子勸他多少去參加一些國際、國內學術會議，介紹自己的研究成果，他卻不為所動。在他看來，參加學術會議，與國內外的學者面對面地交流固然是好，在資訊如此發達的今天，通過網絡和私下交流也能在很大程度上彌補不直接參加會議的缺憾，而且只要你做出了真正有影響的工作，即便不到會上講，整個學術圈一樣看得到。

在很多研究人員還沉浸在鐵基超導研究的熱潮中時，陳根富已經開始拓展新的研究方向——有機超導以及其他新型非常規超導材料的探索。“在科學研究上要做出有意義的成果，必須敢于啃別人沒有啃過的骨頭，啃那些難啃的骨頭”，談及研究方向上的這一轉變，陳根富如是解釋。

2012年，陳根富研究組通過長期的摸索和不斷地工藝參數優化，最終在稠環芳香烴二苯并五苯中實現了轉變溫度為33K的超導電性。該材料是目前除C60之外超導轉變溫度最高的有機超導體。長期從事高溫超導研究的美國斯坦福大學Steven Kivelson教授看到他們張貼在arXiv的文章后發來賀信，評價他們的工作“為有機高溫超導研究打開了一個非常有前途的研究方向”。這一年，他們還采用拓撲化學法，在少層石墨烯（3-4層）中通過鉀的插層，實現了轉變溫度為5K的超導電性，文章發表在《美國化學會志》上。這種轉變溫度比塊狀石墨材料中摻鉀（KC8）的超導轉變溫度（Tc～0.39K）高出一個數量級。2013年，他們發現了系列新型電荷密度波超導體PdxRETen。

2015年春節剛過，陳根富在中科院物理所M樓的樓道里偶遇德高望重的于淥院士，于淥院士第一句話就是“祝賀你”，并興致勃勃地向同行的科學家介紹起陳根富最近在三維外爾半金屬TaAs方面取得的突破性進展，稱贊其所做的原創性工作。

從2007年回國至今不過短短數年，陳根富已經從當初在重費米子超導領域嶄露頭角的年輕人，成長為在鐵基超導、有機超導以及其他新型非常規超導研究領域都有影響的知名學者。前方的路還很長，祝愿他走得更高、更遠！