——记清华大学物理系助理教授李渭
　　
本刊记者  汲晓奇

　　
　　
　　自1911年超导被发现之后，已经有10人因超导研究获得诺贝尔奖，超导也被誉为“20世纪最伟大的科学发现之一”。
　　中国在超导，尤其是铁基高温超导体研究上的高峰，是从2008年开始的。Science在一篇题为《新超导体将中国物理学家推到最前沿》的文章里说：“如洪流般不断涌现的研究结果，标志着在凝聚态物理领域，中国已经成为一个强国！”
　　李渭就赶上了这样一个时代，他目睹着中国在凝聚态物理上的发展，也为之添砖加瓦，在高温超导研究版图中涂抹出属于他的亮色。
　　
厚积薄发，水到渠成
　　从2001年考入清华大学物理系，到后来保研、拿到博士学位、做研究助理，李渭在清华园整整11年。对他来说，接触到凝聚态物理，定位于高温超导，是一个再自然不过的过程。
　　2005年9月，李渭的硕博连读生涯正式开始。他的导师，是刚刚到清华大学任职不久的薛其坤。提到薛其坤，最为大众熟知的就是量子反常霍尔效应。而他和他的团队能够取得成功，依靠的正是对MBE（分子束外延生长技术）和STM（扫描隧道显微镜）这两个关键技术的熟练掌握。
　　MBE是制备高质量原子级平整样品的最好方法之一，它对样品缺陷、化学配比以及维度的控制是其他生长手段所不能比拟的。而STM是研究材料极为敏锐的眼睛，它的成像技术可以精确地表征样品的原子结构，其谱学功能又可以探测超导能隙和杂质引起的束缚态。将谱、图技术相结合就可以捕捉到样品实空间的电子分布，这对于研究电荷有序态以及准粒子散射意义重大。而将STM与MBE相结合，薛其坤的团队做出了许多世界一流水准的工作。
　　读博之后，李渭面对的第一项工作就是搭建一台低温扫描隧道显微镜及分子束外延生长的联合系统。“当时，陈曦老师刚从加州大学Irvine分校回来，他有丰富的仪器搭建经验，该项目在他的带领下很快开始启动。”李渭说，在两位老师的指导下，他将博士生涯前三年半的时间投入到仪器搭建里。这一项目在2010年通过了验收，李渭也因此获得了清华大学基础建设奖。
　　三年半，当别的研究生读文献、跟实验，甚至开始在发表文章中署名共同作者时，李渭只专注于他的仪器。一切都得从头搭建，包括探头、焊线等都需要他和伙伴们去做。这一段在发表文章上的“留白”，使他积累了对STM和MBE深刻的理解。“所以，到真正开始做实验时，进展还是比较快的。”
　　李渭所说的“真正开始做实验”，指向的是钾铁硒（KFe2Se2）。物质的超导电性是凝聚态物理最重要的发现之一。其中非常重要的指标就是临界温度，当物质的超导电性低于某个临界温度时，体系中的电子就会形成库珀对，做集体相干运动，电阻值会迅速降到零。在更高的温度实现零电阻，对于解决未来能源问题，其战略意义毋庸置疑。上世纪80年代，铜氧化合物高温超导材料的发现，使人类看到了超导应用的曙光，引发了高温超导研究的热潮。2008年初，铁基高温超导材料的发现打破了铜基高温超导材料长期以来的垄断，也为高温超导电性的研究提供了宝贵的新体系。钾铁硒就是这个新体系的一员。
　　2010年，中国科学院物理研究所的陈小龙课题组发现了钾铁硒超导体系。该体系的临界温度在30K以上，带动了新一轮的超导研究。但钾铁硒超导体系又有它的“奇特”之处，超导与反铁磁的关系究竟是单一相的共存还是微观上的相分离？
　　这个问题，一直是学术界争论的焦点。能否给出一个确定的答案，决定着所有的研究是否有着正确的出发点。这当然不是一个简单的事。“我们当时利用MBE技术，已经可以对二元化合物进行精确地可控生长。同时，我们的探测手段STM，也可以在纳米尺度上精确地去‘看’样品长什么样子。我们就想试试看，能不能用MBE技术生长出三元的钾铁硒材料。”尽管有基础，但利用MBE生长，在半导体工业应用上取得成功的两种材料——砷化镓、氮化镓，都是二元的，真的做起三元来结果会怎样，李渭也不敢打包票。“还好，终于给长出来了。”他笑言，所有当时遇到的挑战都融化在这一笑里。
　　在那次的工作中，李渭成功制备了高质量的KxFe2-ySe2薄膜样品。之后，通过STM这双“眼睛”，他们首次证明了该体系存在相分离，并发展出一套探测超导区域自旋结构的方法，解决了困扰该领域多时的问题。2012年，该成果发表在Nature Physics上，并荣获当年“中国百篇最具影响国际学术论文”之一，迄今引用达130余次。
　　紧接着，李渭利用MBE技术成功的控制了该材料的生长取向，进一步揭示了反铁磁与超导的密切关系：反铁磁绝缘相本身并非超导，但它却直接导致超导在母体相中产生；而反铁磁相与超导相在介观尺度上的“伴生”关系，其实就是部分宏观实验手段得到的超导与反铁磁共存的原因。不止如此，他发现，单层KFe2Se2自然地构成了准一维的双脚链状结构，且这样的准一维体系也具备超导电性，这为从局域出发的超导配对机制提供了很强的支持。这一系列的成果后来也发表在Phys.Rev.Lett.和Phys.Rev.B，Rapid Comm.上。后者还被选为编辑推荐，成为低维超导理论领域权威E.Dagotto教授进行平均场计算的基础。
　　李渭出色的表现为他赢得了新的机遇。2012年9月，在斯坦福大学沈志勋教授和SLAC同步辐射光源资深研究员路东辉的邀请下，他登上了飞往美国的飞机，在另一个凝聚态物理“大牛”的团队中开展博士后研究。
　　
绿叶成荫，求新探新
　　对李渭而言，时光像是一把美工刀，不知不觉中，将他在高温超导研究中的思考与探索，剥离掉青涩，雕刻成如今成熟的模样。
　　在清华攻读博士的最后一年，李渭有幸参与到薛其坤团队的另一项突破性的工作：单层FeSe的界面超导电性增强。将一层厚度仅0.55纳米的FeSe薄膜生长在钛酸锶（001）衬底上，超导转变温度实现了从8K到65～70K的飞跃。“这改写了铁基超导转变温度的纪录！”同行赞叹道。
　　“铁硒单层超导太重要了。”李渭早已认识到这一点。他认为导致单层硒化铁—钛酸锶界面超导增强的原因可能有两个。第一，钛酸锶可以给硒化铁提供足够的电荷掺杂，提高载流子浓度并抑制晶列相。但是单靠电子掺杂，体系的转变温度还不会达到最优的65K。第二，钛酸锶衬底能为超导电子配对提供额外的通道。这一点在李渭在斯坦福大学期间开展的ARPES研究中得到了证明。他们发现在硒化铁—钛酸锶体系中，每条硒化铁的能带都被复制并平移了约80meV。“这一能量尺度与钛酸锶中一支弱色散的声子能量相当吻合”，李渭补充说，“我们认为这是该体系中存在很强的电—声耦合的证据。据此，我们可以估算出其对超导温度的增强率大约在1.5～2倍之间，这和实际的超导转变温度是相一致的。”
　　界面对超导的增强效应，为探寻高温超导材料提供了一种全新的思路。这条思路，也为李渭打开了一扇新的窗户。在研究过程中，他和伙伴们发现，如果把双原子层的镓外延生长至氮化镓(0001)表面上，古老的半导体和金属就会发生神奇的相互作用——原本转变温度只有1.09K的镓，迅速上升到了5.5K。该工作发表在Phys.Rev. Lett上。
　　在这一系列研究中，ARPES的出镜率颇高。这也是李渭在斯坦福大学收获的一项新的绝技。
　　与STM一样，ARPES也被用于探测物质的电子特性，不同的是，它是表征电子在动量空间行为最强大的技术。斯坦福大学沈志勋教授的研究组正是在这一领域绝对的引领者。如果说STM是在实空间的“取证”，ARPES就是从动量空间对材料的电子性质再进行研究。对STM与ARPES这两个互补的观测结果进行科学分析，就可以直接获得体系更为全面的信息。
　　加入沈志勋研究组后，李渭充分吸收着新的知识，迅速掌握了ARPES的奥妙，再结合丰富的STM经验，他首次观测到多层硒化铁中晶列相在动量空间与实空间电子散射的完美对应关系，并首次直接证明晶列相是由于电子轨道的有序化驱动的，为研究界面超导增强机理提供了重要信息。另外，他还与美国布鲁克海文国家实验室的尹卫国研究员合作，首次观测到在11型铁基超导母体相碲化铁中的电荷密度调制，为研究铁基超导体电子关联作用及建立铁基、铜基高温超导的统一图像提供了宝贵信息。
　　不仅如此，李渭在解释量子反常霍尔效应较低观测温度的起源研究中也有所斩获。在已实现的基于磁性掺杂的量子反常霍尔效应体系中，最大的谜题在于，铁磁有序形成温度在10K以上，而量子化观测温度仅为30mk。为什么会有如此巨大的差异？李渭与麻省理工学院的Moodera教授及常翠祖博士合作，使用ARPES系统研究了磁性掺杂诱导的量子反常霍尔效应体系的能带结构，揭示了该体系中量子化观测温度较低的起源是体态导带电子与表面态的耦合作用。这对于提高量子化温度，指明了方向。
　　
认准方向，无畏向前
　　“我经历了世界上最好的两个凝聚态实验物理研究组，他们风格不同，对我来说会产生很多思想上的碰撞。这是非常重要的学术经历。”李渭说。他认为，这几年的成绩都离不开在MBE、STM和ARPES上的积累，这三者结合，形成了当今凝聚态实验物理研究最犀利的武器。技多不压身，李渭也褪去初出茅庐的青涩，成长为一名独立的科研人。
　　斯坦福大学3年，收获良多，但李渭也终需和湾区的碧海蓝天道别。“我和我的同学们都觉得，国家培养我们这么久，总归要回来报效国家，回馈母校。”李渭说。出国是一段重要的学术经历和刻苦修行，他的事业终究还是在国内。
　　显然，清华大学对于他的回归也满怀期待。“在清华大学读博期间，他在铁基高温超导领域做出了非常重要工作，这些工作澄清了该领域诸多的长久争论，发表在国际顶级学术期刊上并获得了极大的国际认可。在斯坦福大学的博士后研究中，他坚持创新，在技术领域和科学领域继续做出了出色的成绩，体现出极高的学术潜力。”在第十三批“青年千人计划”申报书上，清华大学给出了极为肯定的意见。
　　“材料制备和电子配对机理研究，我们都会抓。”谈及回国后的事业，李渭再次强调。如今，他已经能将STM、ARPES与MBE技术更为有机的结合，这也为他的科研期望带来了无限的可能。
　　“尽管已经研究了3年，硒化铁—钛酸锶界面超导里还有很多问题没有解决。”李渭举例道，“比如，超导电性为何总是禁闭在第一个单层？应力对于单层和多层晒化铁到底有什么影响？自旋涨落或是向列相在单层体系是否存在？”同时，围绕硒化铁—钛酸锶界面超导，他希望能在一到两年内发现更多的界面超导增强的体系，为研究高温超导机理提供更多的样本。
　　古希腊著名哲学家芝诺有一句经典名言：“人的知识就好比一个圆圈，圆圈里面是已知的，圆圈外面是未知的。你知道得越多，圆圈也就越大，你不知道的也就越多。”在李渭看来，对未知的好奇，是他科研生涯中的本能。当问题一个个被提出，李渭能做的，就是利用此前积累的经验和优势，逐一进行回答。
　　从2016年1月回清华园任职开始，李渭的研究团队已经雏形初现，他获得了第十三批“青年千人计划”、国家自然科学基金面上项目与北京市拔尖人才的支持，并参与到段文晖主持的“973”课题等研究中。
　　现在，李渭已在清华大学完成了一台STM和MBE联合系统的调试。该系统运转稳定，可进行精细可控的分子束外延生长及400mK的极低温STM测量。
　　在科研上，李渭是个方向感很强的人。高温超导研究是他最热爱的方向。他明确给自己定位了两个中心：超导配对机制研究和样品生长制备相结合。“我觉得学术要有大方向上的思考，既然认准了要啃高温超导这块硬骨头，就不能再盲目跟风一些新的国际热点方向。”
　　经过多年的成长，李渭也形成了自己的科研观。他认为，在知识爆炸的今天，科研已经不可能闭门造车，一定需要跟不同的人合作。“要跟人打交道，就牵扯到做人，我跟学生强调，不管科研做得怎么样，首先要学会做个好人。”另外就是细心。在他看来，要制备世界上最好的材料，做最好的测量，常常是细节决定成败。他以STM举例，如果有人在实验中粗心撞到了STM的针尖，哪怕是让针尖末端掉下了一个原子，即使测量的谱型是对的，但从数据的系统性来讲，一定会在原来的背景上叠加一个偏差，这对于严谨的科学研究也是致命的。