——记清华大学物理系助理教授、博士宋灿立
　　
本刊记者　汲晓奇

　　
　　在2014年1月10日国家科学技术奖励大会上，多年空缺的国家自然科学一等奖被铁基超导研究团队获得，一时间“铁基高温超导”一词再次被人们所关注。
　　殊不知，早在2008年凝聚态物理学领域掀起铁基高温超导研究热潮后的次年，宋灿立就在薛其坤院士的指导下开展铁基超导体FeSe高质量薄膜分子束外延（MBE）生长的探索，并于2011年作为第一作者在《Science》上发表了有关铁基超导FeSe研究的论文“Direct Observation of Nodes and Twofold Symmetry in FeSe Superconductor（铁硒超导体中能隙节点和二重对称性的直接观测）”。这是我国科学家首次在《Science》杂志上发布这个领域的研究成果，同时还入选2011年“中国百篇最具影响国际学术论文”和“中国高等学校十大科技进展”。
　　发展至今，高温超导仍然是凝聚态物理基础研究的前沿科学之一，不断吸引着世界上诸多优秀科学家的目光。在已发现的10种左右铁基超导体系中，有4种是由我国科学家独立发现。更难能可贵的是，在其物性和机理研究中，我国更是做出了许多世界一流成果。
　　
勇登高峰　零的突破
　　
　　1911年，在荷兰莱顿实验室里，昂尼斯等人利用液氦把金属汞降温到4.2 K（零下269摄氏度）时，意外地发现其电阻值突然降到仪器测量范围的最小值之下，可认为电阻为零。于是他们把此状态下的金属叫做超导体，寓意“超级”。
　　低温环境是超导体发挥“特效”的关键因素，但低温往往需要依赖昂贵的液氦来维持，无形中极大增加了超导体的应用成本。于是在此后的数年中，致力发现具有高转变温度的超导体甚至“室温超导体”便成为科学家不懈的追求。
　　直到上世纪80年代，铜氧化物超导体因具有液氮温度以上的超导临界温度脱颖而出，成为超导家族中的“高温超导体”。但令人颇感失望的是，人们发现铜氧化物高温超导体因为其本质为陶瓷材料，在力学性能上显得脆弱不堪，且缺乏柔韧性和延展性；在物理性质上其临界电流密度又太小，容易在承载大电流时失去超导电性而迅速发热，因此难以大规模应用。
　　2008年2月23日，日本东京工业大学细野秀雄教授团队宣布，在氟掺杂的“镧-铁-砷-氧”体系中存在26K超导电性。此后，“铁基超导体”无疑打开了一扇窗。由于其金属性，更加容易被加工成线材和带材；其可承载的上临界磁场/临界电流与铜基超导体相当，甚至有可能更优越。
　　得知此消息后，我国科学家迅速展开了铁基超导体体材料的物性研究。宋灿立在薛其坤院士的指导下开始研制如何制备铁基超导体薄膜。他们希望从不同的思路探索高温超导体的机理问题，同时可以为铁基超导材料的最终应用奠定材料基础。然而，科研之路永远不会一帆风顺，尽管宋灿立他们选择了铁基超导体中结构最简单的FeSe做为研究目标，但由于Fe和Se合金相图的复杂性，他们所制备的薄膜一直都是绝缘的，没有任何超导的迹象。
　　“数个月没有结果”，宋灿立失望过、苦恼过，但他终没有放弃。一天傍晚，他照常在实验室做实验，苦苦期盼或许早已成为常态，但就在凌晨时分，他采到了第一个具有超导能隙的扫描隧道谱——“我们成功了！”这意味着高质量超导FeSe薄膜就此诞生，要知道这比2014年高质量FeSe单晶的获得整整早了5年。
　　研究铁基超导体，宋灿立和他们团队的创新之处在于将分子束外延技术(Molecular Beam Epitaxy，MBE)与扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，STM）进行了有机的结合，他们把半导体领域中的分子束外延技术拓展到铁基超导材料的制备中，实现了对超导薄膜生长过程和形貌原子水平上的精确控制，制备出了化学成分严格可控的高质量单晶FeSe薄膜；在此基础上，他们利用同时具有空间原子分辨和高能量分辨本领的强磁场扫描隧道显微技术对薄膜进行了原位的表征，这在国际上形成了独特的研究特色。
　　那时，距宋灿立获得博士学位才仅仅过去了6个月。在《Science》上初试牛刀的他随后成功申请到了哈佛大学物理系的Lawrence Golub Fellowship。据悉，该Fellowship评审委员会那年共收到来自全球的233个申请，最后只有两位申请者获得了机会，宋灿立就是其中的一位。
　　
两种思路　探索机理
　　
　　众所周知，铜氧化物高温超导体的超导机理是近30年来凝聚态物理的一个重大科学难题。已有研究证明，对于传统的超导体（如Pb），通过电子声子相互作用导致费米面附近电子两两配对（库珀对），从而实现超导凝聚。隧道谱测量可以给出直接证明，导致超导配对的声子会在隧道电流的二阶导数（d2I/dV2）谱超导能隙之外变现为明显的低谷和峰的结构。而对于铜氧化物和新近发现的铁基高温超导体，多数人认为它们具有与传统超导体不同的配对机制——其电子配对媒介可能是其它的集体激发或者波色子（如自旋涨落）。据宋灿立介绍，目前这样的波色子已经在铜氧化物和铁砷基高温超导体中被扫描隧道谱所观察到。后来，他延续了对FeSe单晶薄膜的超导性质研究，通过高分辨扫描隧道显微谱技术发现，在FeSe薄膜中超导能隙之外同样存在波色子激发，还进一步发现该激发能量与超导能隙大小存在正关联关系。“我们的研究对理解高温铜氧化物和铁基超导体中电子-波色子相互作用有重要意义！”
　　2014年9月，宋灿立加入清华大学物理系薛其坤研究团队继续进行高温超导体的研究，致力于发现高温超导体的电子配对机理以及发现具有更高超导转变温度的超导体系。区别于MBE自下而上生长的制备方法，宋灿立他们又换了一种新思路——用外力打击原子表面，使其自上而下层层拨开从而得到不同组成高温铜氧化物超导体的每个原子层。于是，他和马旭村、薛其坤导师共同指导清华大学物理系低维量子物理国家重点实验室的博士研究生，利用氩离子轰击和臭氧气氛下退火技术，首次成功制备出了组Bi2Sr2CaCu2O8+x(Bi-2212) 超导体的所有氧化物原子层（BiO、SrO和CuO2）。在此基础上，他们利用原位的低温扫描隧道显微镜/谱系统地研究了它们各自的电子结构。实验发现，在BiO表面上观察到的赝能隙起源于BiO本身，而与CuO2原子层超导或超导电性无关。SrO原子层在费米能级附近存在范霍夫奇点，表现为金属性，是电荷库层，而超导能隙仅仅存在于CuO2层。
　　该研究成果以“Mapping the electronic structure of each ingredient oxide layer of high-Tc cuprate superconductor Bi2Sr2CaCu2O8+”为题发表在2015年12月2日的Physical Review Letters上。这项工作对赝能隙的存在提出了严重的挑战，如果所述结果在其它铜氧化物高温超导体中得到进一步证实，无疑将会对高温超导机理的解决起到重要的推动作用。
　　
一心为国　砥砺前行
　　
　　宋灿立办公室的书桌上摆放着一张他女儿的照片，提到不满4岁的女儿，宋灿立的脸上洋溢着幸福。对于今天来之不易的美好生活，宋灿立说很感谢国家。
　　然而，感激不是说说而已，宋灿立用自己的实际行动表达了一腔热血——回国并加入清华大学科研团队，而此番行动所付出的机会成本是优厚的待遇和生活条件。新型材料的科研工作无疑是在“啃硬骨头”，在他看来，“科研本来就是挫折”，因为做科研不像课堂上老师讲课，现成的知识，探索就是一个不断经历失败而最终成功升华的过程。然而困难常有，如何调整心态战胜它就成了关乎成败的重要因素。还记得在宋灿立念博士期间，经常是一个课题做了很长时间也无结果，困苦的他便出去跑了几圈，回来又接着做，“还是自己调节”。
　　除了做好自己，宋灿立还总说，“攻克难题是我们肩负的责任！”他口中的“我们”，指的就是“低维量子物理国家重点实验室”团队。常言道，独木不成林，在这个大集体中，每一位优秀的份子都贡献着自己的全部力量，大家总是有困难一齐上，一起讨论、分析、做实验……在这里，总会上演“1+1>2”的效果。
　　科研不是一蹴而就，攻坚需要时间的见证，“短时间内看不到成果，但长时间后一定会有收获”，现在的宋灿立感觉“自己状态很好”，对未来十分有信心。他也给自己设立了一个“10年”的目标，在期限内希望做出真正有突破的科研成果。
　　宋灿立说，他从小到大一直很保守，总喜欢一步步脚踏实地地往前走。如今回首望去，留下的是一串串闪光的脚印。我国原子弹之父钱三强院士曾说过：古往今来，能成就事业，对人类有作为的，无一不是脚踏实地攀登的结果。未来的宋灿立，会走得更加坚定与夯实，翻越更多的科研高峰。