追尋高溫超導(dǎo)的秘密

李明麗

2016年是我國(guó)“十三五”規(guī)劃的開局之年，為加快推進(jìn)人才發(fā)展體制機(jī)制改革，我國(guó)正以更加開放的視野和理念，更大力度地實(shí)施國(guó)家“千人計(jì)劃”。“國(guó)以才立，政以才治，業(yè)以才興。”這項(xiàng)海外引智工程無(wú)疑給我國(guó)科技事業(yè)的發(fā)展帶來了巨大的影響。

“入選‘千人計(jì)劃不只是一種待遇、一種身份，更要背上相應(yīng)的責(zé)任。”2016年中組部“千人計(jì)劃”青年項(xiàng)目入選者殷志平這樣說。與名師相伴的科研之路

“當(dāng)初出國(guó)是為了求學(xué)，既然學(xué)成，歸國(guó)是自然的。”說話的正是2015年回國(guó)的殷志平。他從北京大學(xué)畢業(yè)出國(guó)深造到回國(guó)，整整10年。

殷志平的本科專業(yè)是物理，畢業(yè)之后，為了追求更尖端的知識(shí)來到美國(guó)加州大學(xué)戴維斯分校物理系繼續(xù)深造。在這里，他遇到了導(dǎo)師Warren Pickett教授，同時(shí)有幸與SergeySavrasov教授緊密合作，接觸到了奇妙的凝聚態(tài)物理學(xué)。

“凝聚態(tài)物理，是以固體物理為基礎(chǔ)的外向延拓，是現(xiàn)代物理最重要的分支學(xué)科之一。當(dāng)前，凝聚態(tài)物理已形成了比固體物理學(xué)更廣泛、更深入的體系，從事凝聚態(tài)研究的人數(shù)在物理學(xué)家中首屈一指，每年發(fā)表的論文數(shù)在物理學(xué)的各個(gè)分支中居領(lǐng)先位置。”殷志平說。可以看出，對(duì)于凝聚態(tài)物理，殷志平興趣滿滿。

抱著這樣的熱情，殷志平先后在美國(guó)羅格斯大學(xué)和紐約州立大學(xué)石溪分校從事博士后研究工作，跟隨GabrielKotliar教授等著名科學(xué)家。殷志平求學(xué)期間雖然不在世界頂級(jí)名校，但幸運(yùn)的是，他能一路與名師相伴，并取得了不錯(cuò)的成績(jī)。

在美國(guó)羅格斯大學(xué)，殷志平以副研究員的身份工作了4年，他所在的GabrielK0tliar教授組堪稱世界聞名。GabrielKotliar教授是動(dòng)力學(xué)平均場(chǎng)理論的開山鼻祖之一，是國(guó)際上享有盛譽(yù)的明星學(xué)者，曾獲歐洲凝聚態(tài)物理方面的最高獎(jiǎng)“歐洲物理獎(jiǎng)”（很多此獎(jiǎng)的獲得者后來獲得了諾貝爾獎(jiǎng)）。在凝聚態(tài)物理方面，Gabriel Kotliar教授組在國(guó)際上以基于動(dòng)力學(xué)平均場(chǎng)理論和密度泛函理論的第一性原理計(jì)算研究強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子體系、高溫超導(dǎo)而享有盛名。

“所謂第一性原理，是指根據(jù)原子核和電子互相作用的原理及其基本運(yùn)動(dòng)規(guī)律，運(yùn)用量子力學(xué)原理，從具體材料出發(fā)，經(jīng)過一些近似處理后直接求解薛定諤方程而得到實(shí)際材料電子結(jié)構(gòu)的方法。”殷志平簡(jiǎn)單解釋道。

對(duì)于殷志平來說，在這樣的小組中工作是很有壓力的。但沒有壓力就沒有動(dòng)力，機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存，壓力與動(dòng)力共生。在Gabriel Kotliar教授組做相關(guān)研究期間，殷志平爭(zhēng)分奪秒地吸取知識(shí)，并將其轉(zhuǎn)化為自己的養(yǎng)分。5年間，他的主要研究方向是強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系第一性原理計(jì)算，特別是基于動(dòng)力學(xué)平均場(chǎng)理論和密度泛函理論的第一性原理計(jì)算，在強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系和非常規(guī)（高溫）超導(dǎo)體特別是鐵基超導(dǎo)體領(lǐng)域做出了重要貢獻(xiàn)。

自2008年鐵基超導(dǎo)體作為高溫超導(dǎo)體的地位被確立之后，物理和材料學(xué)界掀起了新一輪高溫超導(dǎo)研究熱。另一方面，凝聚態(tài)理論的長(zhǎng)足進(jìn)展使科學(xué)家弄清楚了許多材料的物性問題，但是還存在一些疑難問題懸而未決，其中最突出的莫過于強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子體系的問題。

初生牛犢不怕虎。既然要做，就挑最具挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域。殷志平初涉此間，選擇的就是凝聚態(tài)物理中最困難的領(lǐng)域——強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系。他和合作者率先提出了鐵基超導(dǎo)體是一類全新的強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系，并命名此類體系為洪德金屬，繼而進(jìn)一步提出并命名了洪德絕緣體（如LaMnPO體系）。“在這類體系中，洪德定則耦合能J是最重要的控制參數(shù)，區(qū)別于傳統(tǒng)的莫特絕緣體中哈勃U是最重要的控制參數(shù)。”不僅如此，殷志平還與合作者第一個(gè)發(fā)現(xiàn)了鐵基超導(dǎo)體里很強(qiáng)的磁性性質(zhì)與晶體結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)，并由此發(fā)現(xiàn)砷（硒）原子到鐵原子平面的高度是鐵基超導(dǎo)體里最重要的控制參數(shù)之一。此發(fā)現(xiàn)與后來發(fā)現(xiàn)的鐵基超導(dǎo)體的超導(dǎo)溫度與鐵砷（硒）原子距離或者砷（硒）鐵砷（硒）原子的角度有密切關(guān)系，一脈相承。

在第一性原理計(jì)算方面，殷志平與其合作者發(fā)展了從第一性原理計(jì)算強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系的自旋動(dòng)力學(xué)和超導(dǎo)物性的方法與計(jì)算程序。基于這些發(fā)現(xiàn)，殷志平在包括《自然物理》《自然材料》《自然通訊》《物理評(píng)論x》《物理評(píng)論快報(bào)》《美國(guó)科學(xué)院院報(bào)》等國(guó)際一流學(xué)術(shù)期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文近40篇，被世界一流的科學(xué)家引用1400多次，其中兩篇文章引用均超過300次。

這些研究成果也得到了國(guó)際同行的廣泛認(rèn)可，殷志平于2013、2015、2016年3次受邀在美國(guó)物理學(xué)會(huì)年會(huì)上做邀請(qǐng)報(bào)告，其研究成果多次在世界頂級(jí)會(huì)議上被他和他的合作者在邀請(qǐng)報(bào)告中重點(diǎn)討論。

向著新的目標(biāo)蓄勢(shì)待發(fā)

凝聚態(tài)物理最困難的領(lǐng)域是強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系，而材料物理里最具有發(fā)展前景的領(lǐng)域是設(shè)計(jì)和發(fā)現(xiàn)新型功能材料，如高溫超導(dǎo)體、磁性材料、光伏材料等。在強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系和新型功能材料領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)新的突破具有很重要的科學(xué)和現(xiàn)實(shí)意義。

基于動(dòng)力學(xué)平均場(chǎng)理論和密度泛函理論的第一性原理計(jì)算近些年在凝聚態(tài)物理的強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系和材料物理的新型功能材料中大放異彩。但是，國(guó)內(nèi)目前還非常缺乏這方面的一流專家，這方面的研究迫切需要與國(guó)際接軌。

在這樣的大背景下，2015年年底，已經(jīng)獨(dú)當(dāng)一面的殷志平全職回國(guó)，加入北京師范大學(xué)，于2016年入選中組部千人計(jì)劃青年項(xiàng)目并獲優(yōu)先支持。談到回國(guó)的打算，殷志平躊躇滿志：“我希望能在國(guó)內(nèi)推廣和發(fā)展基于動(dòng)力學(xué)平均場(chǎng)理論和密度泛函理論的第一性原理計(jì)算研究，同時(shí)希望能夠促進(jìn)國(guó)內(nèi)在強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系和新型功能材料領(lǐng)域取得新的突破。”

言猶在耳，依托千人計(jì)劃的支持，殷志平成立了自己的研究組。“在國(guó)家的支持下，研究組的經(jīng)費(fèi)充足，研究條件也很好，包括建設(shè)了一套最前沿的高性能計(jì)算集群。”殷志平解釋說，之所以配備如此先進(jìn)的計(jì)算集群是因?yàn)閺?qiáng)關(guān)聯(lián)體系是復(fù)雜的多體問題，而第一性原理的多體理論計(jì)算需要強(qiáng)大的計(jì)算資源，國(guó)內(nèi)的超算中心無(wú)法滿足團(tuán)隊(duì)的計(jì)算需求。

隨后，殷志平申請(qǐng)了國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“鐵基超導(dǎo)體中的自旋漲落及其與超導(dǎo)的關(guān)聯(lián)”，志在對(duì)高溫超導(dǎo)機(jī)制進(jìn)行進(jìn)一步探索。

殷志平說：“理解高溫超導(dǎo)機(jī)制不僅會(huì)顯著地推動(dòng)科學(xué)的發(fā)展，還會(huì)產(chǎn)生重要的實(shí)際應(yīng)用。近年發(fā)現(xiàn)的鐵基超導(dǎo)體給我們提供了一個(gè)新的平臺(tái)去揭開高溫超導(dǎo)機(jī)制。自旋漲落，軌道漲落和電聲子耦合都被提出來作為可能的鐵基超導(dǎo)機(jī)制。”要區(qū)分這些機(jī)制需要準(zhǔn)確的理論和方法，就是殷志平的研究重點(diǎn)。

目前，多體理論一動(dòng)力學(xué)平均場(chǎng)理論一結(jié)合密度泛函理論（DFT+DMFT）被證明能很好地描述鐵基超導(dǎo)體，包括關(guān)聯(lián)強(qiáng)度、有序磁矩、光電子能譜、自旋漲落等物性。但對(duì)殷志平來說還不夠，要想弄清可能的超導(dǎo)機(jī)制，還必須對(duì)工具加以創(chuàng)新。“我們將發(fā)展和應(yīng)用最新的DFT+DMFTT具去研究三類特殊的鐵基超導(dǎo)體系，包括La FeAsO的H摻雜、FeSe薄膜的K摻雜和KxFe2-ySe2加壓。它們特殊的雙拱形相圖對(duì)可能的超導(dǎo)機(jī)制有更多的限制。”殷志平說，“我們將通過準(zhǔn)確計(jì)算它們的電子結(jié)構(gòu)，關(guān)聯(lián)強(qiáng)度和自旋漲落隨摻雜和加壓的變化來建立這些物理量和超導(dǎo)電性的關(guān)聯(lián)，并找到最可能的適用于鐵基超導(dǎo)體的超導(dǎo)機(jī)制。”

自鐵基高溫超導(dǎo)體被發(fā)現(xiàn)以來，許多科研人員致力于尋找新的高溫超導(dǎo)體，而殷志平的成果將為設(shè)計(jì)和發(fā)現(xiàn)新的高溫超導(dǎo)體系奠定重要的基礎(chǔ)。“這是一件激動(dòng)人心的事”，殷志平說：“在強(qiáng)關(guān)聯(lián)條件下，超導(dǎo)機(jī)制的可能性是多種多樣的。而揭開高溫超導(dǎo)機(jī)制的秘密，更是與我國(guó)現(xiàn)代科技的進(jìn)步、國(guó)家國(guó)防和空間安全以及老百姓的生活福祉都息息相關(guān)。”