周興江：做尖端儀器 探超導奧秘

本刊記者 王 輝

周興江：做尖端儀器 探超導奧秘

本刊記者 王 輝

周興江

2016年1月8日，國家科學技術獎勵大會于人民大會堂隆重召開。中國科學院物理研究所研究員，超導國家重點實驗室主任周興江領銜完成的“真空紫外激光角分辨光電子能譜系統研制和相關科學問題研究”被授予國家自然科學獎二等獎。

此時，距離他自主研制出國際上第一臺超高能量分辨率真空紫外激光角分辨光電子能譜儀，已經過去了近十年。“這是目前國際上采用真空紫外激光作為光源的第一臺角分辨光電子能譜儀，該項目的實施是我國自主研發高精尖儀器的一個成功范例，為科研創新的可持續發展奠定了基礎，屬于源頭創新工作。”當年的驗收意見猶在耳邊，周興江卻早已走出“第一臺”的光環，在利用真空紫外激光研制光電子能譜的道路上連創佳績。“現在，我們的第四臺設備也快完成了。”周興江說。

“優于1meV”不再是夢

角分辨光電子能譜，是研究材料電子結構的最直接和最有力的手段，在高溫超導體研究和其它先進材料的電子結構研究中發揮著重要作用，能夠為相關物理研究提供許多關鍵信息。從1997年開始，周興江就在美國斯坦福大學和勞侖斯Berkeley國家實驗室從事角分辨光電子能譜研究了，不過，那時候，他的研究是采用同步輻射——一種產生光的大科學裝置。

“我們做角分辨光電子能譜，一個最關鍵的性能指標就是能量分辨率。能量分辨率越高，觀察到的結果越能反映材料本征的性質。”周興江說。一直以來，采用同步輻射普遍能達到的工作能量分辨率為10meV左右，而它夢想要達到的指標則是1meV。美國一國家實驗室曾投入大量資源研發，但“1meV”的夢想始終遙不可及。

而傳統的同步輻射光源或氣體放電光源還存在一個長期困擾光電子能譜的問題——也就是所測量的光電子只來自樣品表面5～10埃的深度，可對于眾多的先進材料而言，僅來自表面一兩個原子層的電子能否反應材料的體性質？這也是令許多科學家疑慮和試圖解決的問題。

“我就想能不能換激光光源來試試。”事實上，周興江并不是第一個起念另辟蹊徑的人，但在21世紀初，能用于光電子能譜的激光技術尚不成熟，這些念頭一直被擱淺。怎么才能找到合適的激光光源呢？在周興江做文獻調研之際，一篇文章令他眼前一亮。“文章里提到激光的某些性能，與我想象中做角分辨光電子能譜對光源的要求非常符合，而且其中有兩位作者是中國人。”激動過后，周興江開始與國內聯系，希望能找到這兩位作者。不久，他的導師趙忠賢院士給了他肯定的答復。原來，周興江所感興趣的KBBF晶體由陳創天院士研究組發明，而棱鏡耦合技術則是陳創天院士與許祖彥院士共同發明。

“當時國際上已經有很多著名的角分辨光電子能譜實驗組，國內卻還沒有高分辨的角分辨光電子能譜設備。我希望能夠在國內建一臺角分辨光電子能譜儀，既要具有先進性，又要有獨特性，能夠具備與國際最好水平的設備去競爭的能力。”懷著這樣的理想回國后，2004年年底，周興江與陳創天院士、許祖彥院士研究組合作，聯合申請了中國科學院科研設備研制和改造項目，正式開啟了“紫外激光角分辨光電子能譜儀研制”，采用的恰是KBBF晶體及其耦合技術產生的真空紫外激光。

真空紫外激光角分辨光電子能譜系統的最佳能量分辨率可達到0.36meV，遠好于目前同步輻射普遍能達到的工作能量分辨率，從而實現了角分辨光電子能譜技術長期追求的超高能量分辨率優于1meV的夢想。“而且，我們利用的真空紫外激光的光束流強度，比同步輻射能強一百倍到一千倍。”這意味著，新的光電子能譜系統不僅可以大大提高測量效率，也能獲得更高質量的測量數據，為揭示電子結構的一些精細結構提供了可能。同時，能譜儀系統采用真空紫外激光后，動量分辨率比采用同步輻射要提高近3倍，又克服了長期困擾光電子能譜技術的對表面的極端敏感性，把現有的角分辨光電子能譜技術提高到了一個全新的層次。

2006年11月23日，經歷了兩年半的攻關后，周興江團隊第一次看到了他們的成果——從真空紫外激光角分辨光電子能譜儀上獲得的第一組數據。12月28日，中科院組織對該項目進行技術成果鑒定，鑒定委員會一致認為：“該真空紫外激光高分辨角分辨光電子能譜儀為國際首創，主要技術指標國際領先。”

“我們的方法并非十全十美，但在幾個關鍵的性能上都遠優于同步輻射。更重要的是，同步輻射產生一條光束線需要五六百萬美元，而我們的真空紫外激光光源只要兩三百萬人民幣，成本大大降低。”周興江補充道。

挑戰高溫超導

高溫超導體的超導機理研究，是凝聚態物理學領域中公認的最為突出也最具挑戰性的物理問題之一。自1986年銅氧化物高溫超導體發現以來，參與研究的科研工作者不乏少數，但其超導機理仍然困惑著大多數人。2008年鐵基高溫超導體的發現，為高溫超導機理研究帶來了新的問題和挑戰，同時也提出了許多新的觀點和研究方向。在高溫超導體研究領域里，電子結構的研究是理解材料的宏觀物理性質尤其是超導電性的關鍵，而周興江采用的角分辨光電子能譜技術，則是當代研究凝聚態物理和材料科學的最重要的實驗手段之一，作為唯一能對材料電子結構進行直接測量的最有力的工具，在高溫超導體的機理研究中無疑是發揮著舉足輕重的作用。

2008年3月28日，周興江（左一）向財政部和科學院領導匯報工作。

“在所有材料里都存在很多電子。電子用一種方式排列，也許是絕緣體，但換一種方式排列就可能是導體或者超導體。也就是說電子排列方式的不同，會導致材料性能的不同。”周興江說。高溫超導體的奇異物性就與電子和電子之間的強關聯作用以及電子電荷、自旋和晶格的相互作用有關。“我們的設備可以直接探測材料內部電子的排列，探測和分離這些多體之間的相互作用，更好地研究高溫超導電性機理。”隨著實驗精度的不斷改善，角分辨光電子能譜已經從傳統的能帶測量工具，逐漸發展成為研究材料中多體效應的重要手段。

周興江研究團隊，利用研制的系列尖端儀器超高分辨率的獨特優勢，瞄準高溫超導機理這一當今凝聚態物理最重要且最具挑戰性的前沿問題，對銅氧化物高溫超導體和鐵基超導體的電子結構和超導電性等方面開展了系統研究，取得了一系列開創性成果, 在國際上引起了廣泛的影響。

他們利用自主研制的真空紫外激光角分辨光電子能譜儀具有的超高分辨率的獨特優勢，與陳創天研究組、許祖彥研究組、美國Brookhaven國家實驗室的Genda Gu博士和日本東京理工大學的T.Sasagawa博士等學者合作，在高溫超導體Bi2212中，除了觀測到70meV的結構外，還在超導狀態下第一次觀察到115meV和150meV兩個新的高能量精細結構，并發現其與超導電性密切相關。這兩個新的結構難以用已有的電子耦合模式（電子—聲子耦合或電子—磁振子耦合）來解釋，這從實驗上表明，在Bi2212高溫超導體中，可能存在一種新的電子耦合方式，新發現的電子耦合模式為高溫超導的起源研究提供了重要的信息。

對銅氧化物超導體欠摻雜區域的研究可以說是理解高溫超導機理的關鍵。20多年來，欠摻雜區域角分辨光電子能譜研究，觀察到的費米面形狀一直支持費米弧圖像，盡管科研工作者們一直在尋找，但始終沒有發現費米口袋的證據。周興江及其合作者利用自主研制的真空紫外激光角分辨光電子能譜的超高分辨率的優勢，在實驗上首次直接發現了費米口袋和費米弧共存的奇異現象。這項工作，對理解高溫超導體奇異正常態的性質、檢驗和建立新的理論，具有重要的推動作用，在超導領域引起了重要反響。

另一方面，周興江團隊還采用角分辨光電子能譜技術，在國際上最先報道了鐵基超導體的各向同性、沒有節點的能隙結構，為理解鐵基超導體超導機理、建立鐵基超導理論及時提供了關鍵信息。在對一系列新型鐵基超導體系的研究中，周興江發現了它們普適的獨特的電子結構特征——只具有電子型費米面，這成為甄別鐵基超導理論的一個重要實驗依據，同時向鐵基超導機理研究中的一種主流的“費米面嵌套理論”提出了挑戰。

“要么第一，要么最好！”

2004年，周興江入選中國科學院百人計劃，回到中科院物理所工作。用他的話說，他是一心想要在國內建設高水平的角分辨光電子能譜的。“紫外激光角分辨光電子能譜儀研制”項目籌備時，物理所在實驗條件緊張的情況下，批給他一間實驗室，又從別的組調兩位同事來幫他。“我第一批招了3個學生，加上所里分派的兩位職工，就這么開始了工作。”

與同步輻射相比，當時國際上在真空紫外激光角分辨光電子能譜儀研制上還缺乏成熟的經驗。而作為一種尖端基礎研究的科學實驗手段，角分辨光電子能譜儀的商用性不是很強。“但對科學研究來說，又是一個必需品”，周興江說，“所以只能根據實際工作的需要，提出設計思路，確定性能指標，然后自己動手采購零部件進行儀器裝置的搭建。”

從設計、安裝到調試，周興江和他的團隊需要親手完成整個過程。“基礎研究，只有世界第一，沒有世界第二。我們要么做第一，要么做最好。”周興江回國時，國內對設備研制的重視程度還不高，科研人員對此也不甚熱衷。“從設備開始研制到發表第一篇文章，四五年的周期是很常見的。但對一個研究組來說，四五年不發表文章，會很有壓力。”雖然物理所并不以論文指標來對他的工作進行衡量，但周興江的自我要求還是帶給他無形的壓力，這種壓力到2008年準備發表第一篇論文時達到了頂峰。“尤其是第一篇論文投出去之后，等待評審意見的過程很是煎熬。等到第二篇論文也發表后，才開始逐漸有所緩解。”

2006年11月23日，真空紫外激光角分辨光電子能譜儀成功獲得第一組數據時周興江和團隊合影。

盡管如此，光電子能譜儀還是以超乎周興江預期的速度進展著。2006年年底，第一臺真空紫外激光角分辨光電子能譜儀研制成功之后，成為我國自主研制設備的典范。以此為突破口，財政部和中國科學院在2008年年初啟動了“重大科研裝備自主創新試點”項目“深紫外固態激光源前沿裝備研制”，第一期準備完成8臺設備2個中心的目標，其中，周興江團隊自主研制的設備就占了3臺。

“要完整描述一個材料的電子狀態，主要有3個量——能量、動量和自旋。我們的第一臺設備，可以測量能量和動量。”周興江介紹說。在這一次的專項中，周興江團隊完善了“超高能量分辨率真空紫外激光角分辨光電子能譜儀”之后，又研發了“同時具有自旋分辨和角分辨功能的真空紫外激光光電子能譜儀”，這樣一來，國際上首次可以利用真空紫外激光來完整測量能量、動量和自旋，大大提升了光電子能譜儀的性能。

他們交上的另一個作品是“基于飛行時間能量分析器的真空紫外激光角分辨光電子能譜儀”。“動量是一個三維物理量，但以前全世界所有的光電子能譜儀測量動量都是進行線掃描，我們的設備可以直接采用面掃描，性能提升的同時，動量測量效率也提高了兩百倍以上。”

這兩臺新作也在驗收中獲得了優秀的評價。在此之后，財政部和中國科學院一鼓作氣，又啟動了“深紫外固態激光源重大科研裝備研制”二期項目。在該項目中，周興江準備完成他的第四臺設備。“一般的角分辨光電子能譜中，樣品最低溫度通常是10K，但是要進行超導研究，就必須將樣品溫度保持在超導溫度之下。現實是，很多材料的超導溫度都在10K以下，有的只有2～3K或更低。”面對這樣的現狀，周興江在第四臺設備上的目標就是將樣品溫度降到1K以下，同時，將能量分辨率從1meV進一步改善到0.1meV，也就是再提高一個量級。隨著項目的進展，他的這一目標也即將實現。

真空紫外激光光電子能譜實驗室布局圖

周興江和團隊開發的真空紫外激光角分辨光電子能譜儀

2008年，周興江意外地獲得了首屆周光召基金會“杰出青年基礎科學獎”。說“意外”，是因為他并不知道自己入圍了這個獎項，也不曾主動提供過任何資料。在頒獎儀式上，周光召先生特別指出，基礎研究原創性成果的產生需要有最先進的實驗手段和獨特的創新思路。“這也是我們當初堅持自主發展尖端儀器設備的初衷。”周興江深有同感。

“事情多做一點，調子放低一點！”

周興江的研究得到了國內外學術界的高度認可。著名凝聚態物理理論物理學家、美國加州大學教授Chandra Varma曾專程寫信給周興江，盛贊他的實驗結果是他見過的最高質量的數據，并明確表達希望可以尋求合作機會；除此之外，美國哈佛大學Subir Sachdev等教授也紛紛來函，對周興江研究組的工作給予高度評價，并進行了深入的科學問題及可能的合作意向的討論。他本人也成為《科學儀器評論》首位來自中國大陸的編委，獲得2009年度中國物理學會“胡剛復獎”。2013年，周興江獲得全球華人物理和天文學會“杰出科學成就獎”。2015年，他獲得了“第三世界科學院TWS物理獎”。該獎項至今只有9位國內學者獲獎，除周興江以外，前8位均為院士，如趙忠賢院士、范海福院士、張杰院士、王恩哥院士、薛其坤院士等。

對于成功，周興江直言獎勵是一柄雙刃劍，“我寧愿多做一點事，調子適當低一點，萬事不能過度”“為人還是實在一點好”。在別人看來，12年中推出4臺具有自主知識產權和國際領先水平的儀器，絕對是“大牛”級別。他卻稱自己和團隊固然努力，還有一種幸運是適逢其時。“從1993年兩位院士開始做KBBF晶體研究，到2004年剛好開始可以利用。早一點回國，還不能用；晚一點回國，也許就被別人用了。”

不論如何，到現在，周興江的研究組里已經有5位職工和20來個學生。早已不是當初人手捉襟見肘的樣子。“我們討論多次，定下了8個字作為組訓：獨立、協作、創新、求精。”他倡導做研究一定要獨立自主，從制備材料到儀器的設計、研制、升級和維修，再到查閱文獻做科研等，都要能夠游刃有余地掌握。他給予學生充分的自由和信任，“每個人都想做好，也都能做好”，周興江說，“要讓學生真正從內心感受科學，熱愛科學。”

“我對待學生相當寬容”，周興江說。他是一個嚴格而不嚴厲的人，面對學生，不管是沉迷游戲的，還是在研究的關鍵時刻犯錯的，他都不會劈頭蓋臉地批評人，而是以私下發郵件等形式讓他們認識到自己的錯誤。“不能讓學生因為一次犯錯就不敢做事了，他們犯錯本來就忐忑，我的不批評反而讓他們印象深刻。”他補充道。

一直以來，周興江都相信人的潛力是無窮的。就像在去德國之前不知道什么是拉曼散射，去美國之前也不懂得什么是角分辨光電子能譜，他自己有著這樣的經歷，也不愿去“傷害”學生的科研熱情。在學生進組之前，他就會給他們打預防針，希望他們能做好吃苦和坐冷板凳的準備，朝著“做最好的研究”努力。可一旦進組，不管是研究生，還是前來學習、實習的其他學生，他都會盡己所能地幫助他們。

“2004年，我在美國的‘老板’對我講，你將來會和我一樣。我覺得特別不可思議，在美國時，基本上一眼能看到自己二三十年后的樣子，能做的事情都被圈定了。可是回國之后才發現，給我一個機會，就可能做到當初夢想不到的事情。”他相信，這些學生們也一樣。