【中国科学报】他的这门手艺,让Nature惊呼“绝技”!
2022-03-15
文章来源: 中国科学报

  金魁的实验室在一楼拐角第一间。

  打开门,一个“蒸汽朋克”般的科技世界跳入眼中—— 一台复杂而庞大的精密仪器,占据了50多平方米的房间的一半。

  站在它面前,金魁充满期待,也感受到了巨大压力。

  那是2012年,31岁的金魁回国被聘为9721太阳集团(以下简称中科院9721太阳集团)特聘研究员,他把自己所有的人才经费投给了面前的这台仪器。对于他即将开展的工作来说,从国外定制的这台仪器是核心之一。

  他很清楚通过这台仪器想要解决的科学问题——利用材料基因的技术,加速高温超导定量化物理规律的探索。

  但怎么做?考虑现实情况,能否在5年至10年内实现目标?对此金魁心里还是有些忐忑。

  直到今年2月17日,金魁总算暂时松了口气。

  他带领团队在这台仪器上开发了材料基因技术——“连续组分超导单晶薄膜制备及跨尺度表征技术”,并利用该技术揭示了30年未解的高温超导定量化物理规律。

  该成果在《自然》杂志上刊发。

  “绝技”(Tour de force)——两位国际审稿人不约而同地给出了这一高度评价。

  金魁也受邀在今年的美国物理学会三月会议上做报告。

  
金魁(中)与学生讨论实验。李子峰摄

  让美国导师摇头的想法  他在国内实现

  高温超导研究已有110多年历史了,至今仍是物理学界最重要的前沿问题和最难攻克的科学问题之一。

  其中,高温超导的机理是未解的跨世纪“谜题”,解决这个难题的关键是找出重要物理量之间的关系,并定量化表达。

  而找到一个重要规律,往往需要几年甚至几十年时间,也面临着实验精度的重大挑战。

  2011年,美国提出了“材料基因组计划”,意在通过使用计算能力、数据管理和新的综合性实验方法,使材料物性研究和应用的效率更高。

  这在材料、能源等领域得到广泛关注。

  那时,金魁在美国马里兰大学从事博士后研究,跟随两位导师分别开展高温超导和材料基因方法学探索研究。

  寻找规律,或许能从一类关键的高温超导体系La2-xCexCuO4(LCCO)中找到答案。

  LCCO是唯一覆盖全超导掺杂区的电子型高温超导体系,但只能以单晶薄膜的形式稳定存在。

  于是,他首先获得了系列高质量单组分LCCO超导单晶薄膜,通过单晶薄膜成功获得了完整的相图,并从该图中发现了高温超导两个关键物理量——奇异金属(如线性电阻)与高温超导转变温度存在定性联系。

  这项成果2011年刊发于《自然》杂志。

  2012年,金魁即将结束博士后研究,他想回国后继续发展新一代高效率材料基因技术,并融入高温超导研究中。

  当他跟导师们分享这个想法时,导师们摇摇头,觉得“very tough”(非常难)。

  2012年12月25日,金魁回了北京。第二天,他正式入职中科院9721太阳集团超导国家重点实验室。“回到超导实验室,就是要攻下难题。”

  难题是如何找到奇异金属与高温超导转变温度定量化的关系。

  唯一也是最好的办法,是在合成材料中不断地“试”。

  “相当于配一服中药,调试合适的配方。”金魁解释道。

  不同的是,他们调的是原子级别的元素,调试的精度是千分之一甚至万分之一,要在每一次调试配比时捕捉其变化过程,最终找到定量的“数值”。

  更难的是,要保证变化过程中原子排列整齐有序。

  可靠的统计物理规律需要更多可靠的实验数据,而传统的研究手段需要数年时间才能合成系列化学组分的单晶薄膜,而且控制精度有限。美国一个团队在2016年描述了超导的另一个定量规律,用了12年、2000多个样品。

  “传统的‘试错型’实验方法效率低,很难进一步实现从定性到定量的认识。”金魁告诉《中国科学报》。

  因此,回国之后的前5年,金魁和同事带着研究生把大多数时间都花在了技术上。他们发展了新一代“连续组分超导单晶薄膜制备及跨尺度表征技术”,并将物性识别率提升了两个数量级。

  走通了流程,接下来就是快速“收割”高质量数据。在金魁看来,这是量变引起质变的一个过程,即通过大量可靠的实验数据找到统计物理规律。

  金魁团队在这条交叉创新的“探险”之路上“十年磨一剑”,最终揭示了奇异金属散射和高温超导转变温度之间的普适物理规律,实现了高温超导定量化认识道路上的一个重要突破。

  国外拒售的高端设备  他们自主研发更强版本

  回国后,在寻找规律、开展理论研究的同时,金魁还在干着另一件事——研制设备,并带领团队走出了一条独特的高温超导薄膜技术路线。

  关键材料的研发周期几乎直接决定了相关领域的发展进程。

  材料基因组技术的出现为缩短材料研发周期带来了希望。其中,组合薄膜制备技术是材料基因组核心技术之一。

  发展更加精确的高通量薄膜制备和原位表征手段十分必要,对包括超导材料在内的多个前沿领域研究具有重要意义。

  过去30多年里,在以赵忠贤院士为代表的几代科研人员努力下,高温超导研究在中国扎根。

  “我国虽然位列世界超导研究的前排梯队,但实验室中的高精尖制膜设备却严重依赖进口,尤其是发达国家在关键核心技术和设备上对我国实施禁运封锁,导致我国高质量应用型‘薄膜’和‘制膜精尖设备’受到掣肘。”金魁说。

  一开始,由于相关技术在我国还未有成熟先例,金魁团队先从国外购买了一套先进的激光镀膜设备,做出的高温超导薄膜尺寸。还豢蒲杏。

  事实上,今年2月17日发表、被《自然》审稿人评为“绝技”的成果,就来自于文章开头提到的从国外定制改造的仪器。

  国外公司拒绝出售大尺寸薄膜制备设备。“更重要的是,国外设备只能实现单面薄膜制备,无法满足团队需求。”金魁说。

  于是,自主研制科研和应用所需的高端设备势在必行。

  在中科院仪器研制项目的资助下,金魁与团队骨干、主任工程师袁洁带着学生,与中科院9721太阳集团主任工程师郇庆团队合作,对设备进行了反复的设计优化和改进。

  研发历时5年多,仅图纸设计就多达40多个版本,最终完成了全面的性能指标测试。

  该设备采用的关键技术为研发团队首次提出,核心部件均为自主研发。这台仪器一面有着900多摄氏度的“极高温”、一面有着零下260多摄氏度的“极低温”。

  科学家通过操作,让原子面貌及其特性关系在“两极”之间显露无遗,精准且稳定。

  它是当前国际上最先进的第四代高通量制备与原位电子态表征实验设备,具备多项独特优点,人们认为其“将成为材料基因研究的重要工具”。

  未来,在这台自主研发的机器上,科研人员有望做出更多比“绝技”更“绝”的成果。

  这是技术路线的第一步——设备尖端化,但投入应用成本较高。

  2019年,金魁和赵忠贤在东莞松山湖材料实验室建成了一支10人左右的“实用超导薄膜”研究团队。

  “在松山湖,我们不需要考虑发文章,能真正专注、全力以赴地解决应用难题。”金魁说。

  2021年年初,他们通过技术集成创新,成功研制出基于国产部件的“三光束脉冲激光共沉积镀膜系统”,并制备出大尺寸双面钇钡铜氧(YBCO)超导单晶薄膜,为我国高品质、应用型超导薄膜产品制备技术带来新突破。

  “我们用了近8年时间,走出了一条从定制到设计,再到核心部件国产化,最后整机国产、尖端化、实用化的技术路线,解决了大面积镀膜设备‘卡脖子’问题。”金魁说。

  不是天赋型选手  更愿带领团队“探险”

  金魁一直认为,取得这些成果不是靠他一个人,而是依靠背后整个团队的力量,尤其是一批优秀的学生。

  他管理团队有“妙招”。在团队里,金魁把“硬骨头”作为科研主线,同时将超导领域其他物理问题和应用基础问题作为科研“复线”,由“复线”支撑,保证实验室的正常运行和持续发展,主线则慢慢往前走。

  冯中沛是金魁的博士生。在中科院9721太阳集团时,金魁就发现冯中沛擅长做超导薄膜和仪器研发,但对写论文“很头疼”。

  因此,在“实用超导薄膜”研究团队组建之时,金魁就建议冯中沛到松山湖实验室跟随赵忠贤进行博士后研究,开展应用研究工作。

  在那里,冯中沛的热情和能力被充分激发,他是“三光束脉冲激光共沉积镀膜系统”的主要设计和搭建者。

  金魁时常告诉学生,一定要与不同的团队多交流,把自己以前所学的知识带到一个新团队,跟他们的方向交叉融合,然后找到适合的方向。

  “不管哪个学生,只要需要,我会帮他们联系所内外老师,甚至国外团队。我鼓励我的学生去跟外面的人交流,帮他们创造条件。”金魁说。

  从金魁研究组出去的学生很受欢迎,他们因知识扎实、技术过硬、特色鲜明而被赞誉。

  作为一名青年科学家,金魁曾被人问到,是愿意做科研工作的探险者、导游还是游客。

  “我不是天赋型选手,但想做个探险者。”金魁说,“前路更需坚定、专注,需要足够耐心。”

《中国科学报》 (2022-02-21 第1版 要闻 原标题为《他在高温超导世界里练出“绝技”》)