越過科研的高山
——記山東大學教授張俊杰

倪海波

與2012年諾貝爾物理學獎得主Serge Haroche合影

對于科學家來說，他們的一生要面對無數座科研的高山。那么，如何才能成功地征服一座座高山，而不至于被其阻礙前方的科研道路？對此，山東大學教授張俊杰給出的答案是：必須保持向困難發起挑戰的勇氣。多年來，他致力于單晶材料的生長、微觀結構和物理性能方面的研究，憑借深厚的科研能力和不畏挑戰的科研態度，取得了一個又一個令人驚艷的成果。

難忘的會議

如今，當張俊杰再次回憶起多年前的那場會議，依然會感到熱血翻涌，他說，未來若有機會再參加一次，他一定能夠從中汲取到更多養分。

時鐘調撥到2013年的6月30日—7月5日：彼時，德國林島群星璀璨，匯集了來自世界各地的34位諾貝爾獎獲得者和625名青年學者，他們此行皆是來參加第63界諾貝爾獎獲得者大會的。在這場會議中，頂級科學家聚集在一起分享各自的科研經歷及研究心得，言談中閃現出的智慧和經驗足以讓在場的每一位年輕且驕傲的學者心靈受到觸動并將其奉為圭臬。

張俊杰便是受邀前來參加此次會議的25名中國博士研究生之一，那時的他剛在山東大學取得博士學位。在攻讀博士學位期間，張俊杰師從國家杰青和長江學者陶緒堂教授，取得了一系列成果：發現了α-BaTeMo2O9晶體，首次生長了大尺寸Cs2TeMo3O12和MgTeMoO6晶體，以第一作者在Chem. Mater.、Cryst. Growth Des.等SCI期刊上發表研究論文7篇，合作發表5篇，獲得了多項榮譽，包括教育部博士研究生學術新人獎，山東大學校長獎學金和山東省高等學校優秀學生。自身諸多成果的加持，讓他成功通過了層層選拔，在林島與頂級科學家面對面交談。而那場會議給他帶來的震撼與感悟，將深刻影響他的后半生。

那場會議上的震撼是從一張畫著狗的漫畫開始的：一群高大威猛的狗如人般排成一排，形態幾乎全部保持嚴肅威武，唯有一只羸弱瘦小的狗，在這排獵狗前面委屈無助地走過。這幅漫畫隱喻的是因發現準晶體而獲得2011年諾貝爾化學獎的以色列科學家丹尼爾·舍特曼在獲獎之前的艱苦經歷。當年，他的發現轟動了整個學術界，而他本人也受到了當時的權威——兩屆諾貝爾獎獲得者萊納斯·鮑林的抨擊，被迫離開了他所在的阿姆斯國家實驗室，處境一度十分艱難。這段經歷是丹尼爾·舍特曼在大會報告中親口講述出來的。“科研的不易我向來是知道的，但是卻沒有想到過程中會遭遇這么巨大的挑戰與艱辛。”那時，年輕的張俊杰默默告訴自己，無論未來需要面對的挑戰有多大，他都必須堅持自己對真理的追求，而真理不一定掌握在權威手中。

全新的挑戰

在張俊杰后來追求科研的道路中，他遭遇的挑戰不止一次。那次諾貝爾獎獲得者會議結束后，他便漂洋過海遠赴美國，先后在阿貢國家實驗室（2013—2017年）和橡樹嶺國家實驗室（2017—2019年）從事博士后研究工作，主要研究電子強關聯氧化物的高壓晶體生長、微結構、輸運特性、磁性質和電磁關聯。與博士時期的研究相比，雖然同屬于材料物理領域，然而具體的研究內容卻是天差地別，張俊杰相當于重新換了跑道。“在科學研究中，我們要想獲得突破，必須去做自己沒有做過的事情，去學習自己沒有使用過的方法，接受新的挑戰。”在張俊杰看來，只有這樣才能逐步成為科研領域的強者。

超乎尋常的努力最終使他在關聯量子材料領域特別是鎳基氧化物研究方面取得了一系列創新性成果。低價層狀鎳氧化合物La4Ni3O8的半導體-絕緣體相變機理和基態是否是長程磁有序一直是理論和實驗研究爭論的焦點。張俊杰及合作者采用高壓浮區法制備了世界上第一塊La4Ni3O10單晶并還原得到了首塊La4Ni3O8單晶，采用同步輻射X射線單晶衍射技術發現了電荷條紋相。“電荷條紋相的形成成功解釋了半導體-絕緣體相變，但是其基態是否具有磁性仍然是懸而未決的問題。”張俊杰解釋道。對此，張俊杰及其合作者對La4Ni3O8進行了單晶中子散射研究，確定其長程磁有序。在電荷條紋相的基礎上，得到電荷/自旋條紋相。

發現鎳氧化合物具有銅氧化合物中的電荷/自旋條紋相之后，張俊杰再接再厲，繼續尋求突破。一直以來，由于超導材料具有零電阻和抗磁性的特點，在無損耗電力傳輸、產生強磁場、磁懸浮等領域具有重大的應用前景。然而高溫超導機理極具挑戰性，仍然沒有統一的、量化的理論，這不僅阻礙了新的高溫超導材料特別是室溫超導體的發現，而且限制了人們對整個強關聯電子體系的理解以及新一代技術（比如量子計算機）的發展。張俊杰以第一作者和獨立通訊作者發表在Nat.Phys.上的工作為尋找新型高溫超導材料提供了新的思路。在這項工作中，張俊杰及合作者發現La4Ni3O8具備銅氧化合物的5個重要特征：自旋1/2、大的軌道極化、強p-d軌道雜化、強反鐵磁相互作用和存在對稱破缺相，但是仍有兩點不滿足：一是準二維四方晶格在低溫被打破；二是基態為絕緣態，不超導。張俊杰及合作者利用化學壓力——采用Pr3+取代La3+,首次制備了1/3空穴自摻雜單晶材料Pr4Ni3O8。發現Pr4Ni3O8為金屬且具有準二維四方晶格結構、極大的軌道極化和強的p-d軌道雜化等銅基高溫超導氧合物的重要特性，因而Pr4Ni3O8是過度摻雜（1/3空穴摻雜濃度）銅氧化合物類似物。通過合適的摻雜，很有可能獲得首個鎳基高溫超導氧化物。

以上工作的發表，引發了人們對低價層狀鎳氧化合物的強烈興趣，特別是啟發了薄膜材料研究，為薄膜超導電性的發現奠定了基礎。

2019年，出于對祖國的思念、個人職業發展規劃、對家人的牽掛等多種因素考慮，張俊杰做出了歸國的決定。在美國從事博士后研究的6年里，他以一個重換研究領域的學術“新人”身份，一路披荊斬棘，成為世界范圍內熟練掌握高壓浮區單晶生長技術的、為數不多的專業研究者之一，并在鎳基強關聯電子氧化物超導類似物等研究方向做出了重要的創新性工作。他認為能取得這樣的成績，除了自己對科研的熱愛與付出外，更要感謝在不同階段幫助自己的幾位導師和多位“貴人”，以及當年諾貝爾獎獲得者大會上堅持真理追求的那番感悟。“它給了我不畏挑戰的底氣。”張俊杰笑著回憶道。

在阿貢國家實驗室采用高壓浮區法生長晶體

更高的目標

作為齊魯青年學者和泰山青年學者，張俊杰以教授和博士生導師的身份回到母校山東大學從事教學科研工作，并成功入選國家級青年人才項目。關于回國后的研究方向和工作，他給自己定下了具有高挑戰難度的目標。目前鎳基氧化物單晶生長和超導機理研究是凝聚態物理和材料領域的熱點和難點之一，其中單晶制備是基礎和關鍵，也是最困難的一步，目前國際上沒有成功的報道。他不僅要嘗試生長關聯量子材料單晶包括鎳氧化合物，研究鎳基超導的機理，還要突破高壓浮區法晶體生長技術。“這是一臺包含著‘卡脖子’技術的高精尖設備，盡管目前不對中國禁運，但長遠來說，我們還是應該盡快掌握這種設備的制造技術。”張俊杰說道。因此，他立志結合自己多年來對高壓浮區爐的使用經驗及國內的制造技術，設計和制造更高壓力的浮區爐，實現我國在該設備方面的自主可控和趕超。

當然，張俊杰之所以敢立下這樣具有相當難度的科研目標，其底氣不僅在于他擁有豐富的經驗，還在于他有信心打造出一支具備高精尖研究能力的科研隊伍。長期以來，張俊杰和美國阿貢國家實驗室、橡樹嶺國家實驗室等實驗與理論研究組保持著密切的合作關系，而這些高水平的人才和技術設備資源，將會極大地拓展團隊成員的研究視野。

“我希望和我的導師們——陶緒堂教授、John Mitchell博士和Raphael Hermann博士一樣，盡心盡力地培養年輕人。”張俊杰說道。同時，他還時常向學生們提起自己在當年諾貝爾獎獲得者大會上的收獲，“我希望培養他們的不止有分析問題和解決問題的能力，還有面對科研困難的勇氣。”張俊杰說道。在他看來，只有兩者同時具備，才能越過科研過程中遇到的高山，然后有機會繼續去攀登另一座高山。