打造超導學術交流與合作的窗口
——超導國家重點實驗室

超導電性是指許多材料在低溫下電阻完全消失的一種物理現象。超導電性的研究一直是凝聚態物理的重要課題，對基礎理論創新和應用技術發展兩方面都有著重要的意義。自1911年荷蘭物理學家Onnes發現超導電性以來，已經有5次諾貝爾物理學獎授予和超導相關的研究。1986年銅氧化合物超導體的發現，掀起了全球高溫超導研究的熱潮，中科院物理研究所的科學家在液氮溫區高溫超導體的發現中做出了杰出的貢獻。在此背景下，1987年，國家計委批準在物理所籌建國家超導實驗室，1991年4月通過驗收，之后列入國家重點實驗室管理系列，并正式面向國內外開放。1995年8月，超導國家重點實驗室通過第一次評估，獲B類第一名；2000年5月，實驗室通過第二次評估，被評為優秀(A類)國家重點實驗室；2002年1月，實驗室被人事部、中國科學院評為“先進集體”；2004年12月，實驗室被科技部評為“國家重點實驗室計劃先進集體”。

實驗室現任主任為周興江研究員，趙忠賢院士擔任學術委員會主任。實驗室承擔著中國科學院、科技部和自然科學基金會等部門多個重大研究項目，已經發展成為具有一定規模和綜合實力并具有國際影響力的實驗室。

實驗室研究成果集粹

超導國家重點實驗室的研究涵蓋了前沿基礎研究和應用基礎研究兩個方面。研究方向包括新型超導材料的探索、超導機理和相關物理研究，以及薄膜制備和超導薄膜器件應用研究等。實驗室現有7個課題組：非常規超導體低能激發和混合態物理性質研究，微納尺度超導體中物理現象的研究，新超導材料探索和相關機制研究，超導薄膜材料和器件的物理及應用研究，新型超導材料的電子譜學和光譜學研究，通過中子散射研究鐵基和銅氧化合物高溫超導體在內的強關聯材料，利用核磁共振法研究超導功能和機制。

經過多年發展，現在實驗室在以下研究中取得了巨大的研究成果：

1.在銅氧化物高溫超導中直接觀察到費米口袋

實驗室在1986年發現了銅氧化物高溫超導體，這對凝聚態物理提出了許多根本性而又極具挑戰性的重要問題。銅氧化合物高溫超導體的母體為反鐵磁絕緣體，隨著載流子的引入，它逐漸演變為金屬和超導體。經研究發現，在摻入少量載流子的欠摻雜區域，高溫超導體表現出的一系列奇異的正常態(超導溫度Tc以上)性質，明顯偏離經典的金屬理論：朗道費米液體理論，一個尤為奇異的現象是在欠摻雜區域存在“贗能隙”。在傳統超導體中，超導能隙(打開電子對所需要的能量)只有在材料進入超導態(Tc以下)才打開，但在銅氧化物高溫超導體的欠摻雜區域，只要在Tc以上的一定溫度范圍內，盡管材料還沒有超導，已經有所謂的贗能隙打開。理解欠摻雜區域的奇異物性，特別是贗能隙的本質及其與超導電性的關系，對理解高溫超導機理具有關鍵的作用。

高溫超導體的母體在摻入少量載流子后的欠摻雜區域，費米面應具有什么樣的拓撲形狀？這是理解高溫超導體奇異物性的最基本的問題，也是20多年來在理論和實驗兩方面一直爭議不斷的重要問題。在理論上，不同的理論框架對費米面的拓撲形狀給出截然不同的預言。如有的認為可能形成大的費米面，有的認為應該形成費米弧 (Fermi a r c)，有的則認為應該形成費米口袋(Fermi pocket)。在實驗上，也因不同的實驗方法得到不一致的實驗結果，如近期的一系列量子振蕩實驗，表明在欠摻雜樣品中可能存在費米口袋；而通過角分辨光電子能譜(ARPES)作為對費米面進行直接測量的實驗手段，得到的結果則是支持費米弧的圖像。

在這樣的背景下，實驗室周興江研究小組，利用超高分辨率的真空紫外激光角分辨光電子能譜，在對銅氧化物高溫超導體的電子結構研究中，取得了重要進展。他們在實驗上不僅直接觀察到了費米口袋的存在，而且還觀察到費米口袋和費米弧的共存。該研究結果對理解高溫超導體奇異正常態的的性質，檢驗和建立新的理論，具有重要的推動作用。相關結果發表在2009年11月19日出版的Nature上，在超導領域引起強烈反響，并且，相關工作還得到了科學院、基金委和科技部項目的資助。

2.利用比熱手段證明氧化物超導體正常態存在電子庫柏對

氧化物高溫超導體的配對機理問題至今仍然是個未解之謎。對于一般超導體，由于電子的配對和凝聚，超導態均具有一個能隙，它很好地保護超導凝聚態在有限溫度下的超流特性，從而出現零電阻和抗磁行為。與常規超導體不同，氧化物超導體，尤其是欠摻雜樣品在遠高于超導轉變溫度時，已經出現了被稱作為贗能隙的能隙，但是宏觀超導特性則在一個較低溫度時才出現。因此，這就激發了很多機理模型的產生。在眾多模型中，一大類把贗能隙與超導隔離開來，認為贗能隙只是由于某些有序相，如電荷密度波序，與超導相競爭費米面上的態密度，因此，超導轉變仍然滿足1957年Bardeen-Cooper-Schrieffer（BCS）所提出的基本圖像。而與之相對立的圖像則認為贗能隙對應著與電子配對強度相關的能量尺度，超導轉變溫度之上有預配好的庫柏對。由于超流電子濃度太稀薄，因而超導溫度不是由配對強度所決定，而是由于相位剛度(phase stiffness)決定，超導轉變是非BCS型的。此前，部分實驗已經指出，在超導轉變溫度之上，可能存在強的漲落超導電性，如能斯特實驗等。但是，這些有關超導預配對的結論一直沒有得到反映體性質的熵守恒實驗的證明。

最近幾年來，實驗室研究人員、物理所SC1小組聞海虎等人深入研究非常規超導體的低能準粒子激發性質。為了完成研究工作，他們堅持氧化物高溫超導單晶的制備，獲得了系列摻雜的高質量氧化物超導體單晶Bi2Sr2-xLaxCuO6，并開展了系統的研究工作；另外，他們在現有商用儀器基礎上，不斷革新，在克服了諸多技術問題后，在比熱測量精度和降低系統誤差方面獲得了重要進展，達到了對實驗精度的要求。在這兩個條件基礎上，他們還在Bi2Sr2-xLaxCuO6單晶上成功測量出與超導相關的熵的變化，第一次從熵的角度，證明欠摻雜的氧化物超導體不滿足BCS物理圖像：在正常態已經有部分電子庫柏對存在，而超導轉變則對應相位相干特性的建立。這項研究工作從熵的角度說明，氧化物超導體的超導凝聚過程是非BCS型的。即便正常態是費米弧或者費米口袋金屬態，即所謂的小費米面金屬態，在超導轉變溫度以下，可能在這些小費米面上有超導能隙重新打開，而不能把它簡單看成是一個BCS型超導相變。

3.研制出國際首臺真空紫外激光角分辨光電子能譜儀

目前光電子能譜采用的光源絕大部分是同步輻射光源，少量采用氣體放電光源。實驗室周興江研究小組和其它研究組合作，采用真空紫外激光作為光源，成功研制了國際上第一臺真空紫外激光角分辨光電子能譜儀。

除此之外，實驗室目前正在展開超導Pb薄膜垂直臨界磁場的量子尺寸效應研究。

向建設國際一流實驗室邁進

超導國家重點實驗室是我國超導研究的重要基地，也是國際國內超導學術合作與交流的重要窗口。實驗室承擔著中國科學院、科技部和自然科學基金會等部門多個重大研究項目。目前，實驗室在實驗條件、研究水準、人才引進和培養等各個層面得到顯著提高，已經發展成為具有一定規模和綜合實力并具有國際影響力的實驗室。自成立到現在，超導國家重點實驗室在高質量超導單晶制備、磁通動力學和機理問題研究中做出國際水準的工作。2008年新型鐵基高溫超導體的發現，掀起了高溫超導研究的另一波高潮，超導國家重點實驗室在新型鐵基超導材料的發現以及相關的物性研究中，做出了舉世矚目的貢獻。

超導國家重點實驗室非常重視人才引進、培養和隊伍建設，并擁有一支優秀的、結構合理的研究隊伍。目前有研究員16人，其中有中科院院士1人，國家“千人計劃”2人，中科院“百人計劃”5人，“國家杰出青年基金”獲得者2人。同時實驗室更有一批工作在第一線的年輕人和研究生，他們思維活躍，睿智進取，給實驗室帶來生機和活力。由超導國家重點實驗室培養的一批優秀的年輕人才，目前遍及世界各地的重要科研機構。

超導國家重點實驗室正在進一步凝練學科方向，優化人員結構，延攬優秀人才，發展尖端獨特的實驗研究技術，努力開展原創性的研究；同時與國際和國內著名的研究機構進行長期、務實和富有成效的合作，努力將超導國家重點實驗室建成國際一流實驗室，為今后取得新的重大突破奠定基礎。