在挑戰高溫超導“百年難題”中守正創新
薛其坤
物理學有兩個非常重要的領域——拓撲量子物理和高溫超導。2013年，我在清華大學時帶領研究團隊發現了拓撲物質中的量子反常霍爾效應。
超導和高溫超導領域是百余年來物理學家持續關注的領域。荷蘭物理學家卡末林·昂內斯于1911年最早發現了超導零電阻現象，兩年后因此獲得諾貝爾物理學獎。在過去的100多年里，超導領域先后有5次、七八位科 學家獲得諾貝爾物理學獎。
超導和超導現象的研究，推動了人類對自然界特別是電阻傳輸方面規律的深刻理解，這也是人們持續關注的原因。
在超導領域，一個非常重要的研究方向就是不斷提升產生超導現象的溫度。昂內斯最早發現超導時，實現溫度是在液氦4K——約零下270攝氏度左右，溫度非常低。不僅如此，液氦稀缺且昂貴，現在約200元/升。而液氮很便宜，相當于礦泉水的價格。如果把超導實現溫度提升到77K，也就是液氮溫度下的零下200攝氏度左右，就非常可觀了，因為人們得到零電阻的成本降低了很多。
當然，人類最大的夢想就是在室溫下實現超導。如果真能實現，輸電線路就再也不會因電流發熱導致能耗巨大，很多電器也會因為室溫超導的應用，大幅度降低能耗。電影《阿凡達》中懸浮的山，實際上就是室溫超導現象。所以室溫超導帶給人們非常多的想象，但它現在只存在于科幻電影中。
1986年，兩位瑞士科學家在銅氧化物中發現了高溫超導現象，即在液氮中實現了超導現象。他們在此后第二年就獲得了諾貝爾物理學獎，這是最快獲得諾貝爾物理學獎的研究工作，引起了非常大的反響。
近40年過去了，人們關于“為什么不是金屬的銅氧化物會出現高溫超導現象”的探討還在繼續，這也成為物理學領域至今懸而未決的世紀難題。至少有14位諾貝爾獎獲得者和成千上萬的研究者，都提出了自己的理論和方案——大多數聲稱是非常規的或奇特的，但常常相互矛盾。
在解決這一問題的過程中，有個重要問題就是超導配對的對稱性——各向同性和各向異性。傳統認為，銅氧化物高溫超導是各向異性配對的——在不同方向，它的波函數在物理學上的基本量是不同的，這是高溫超導研究中的一個主流認識。
但經過大量閱讀后我們發現，非常規的銅氧化物高溫超導或許可以用傳統的超導理論來解釋：也許高溫超導并不是那么“非常規”，而是一種正常的超導現象。
基于這樣的想法，2012年，我們發現了單層鐵硒與鈦酸鍶襯底結合而衍生出的界面高溫超導。雖然溫度只是接近、并未達到液氮溫區，但綜合多個物理參數的推測來看，這是一種新的高溫超導體系。它的關鍵之處是在非常簡單的體系中發現的高溫超導現象，不是各向異性的對稱結果，而是一個簡單的各向同性的對稱結果。
這個發現挑戰了主流觀點。2021年我們發表了一篇論文，提出銅氧化物高溫超導的對稱性是各向同性——是一個球形狀態，而不是大家認為的棒槌形狀態。這項工作從投稿到發表用了很長時間，尤其在這個過程中，學生制備了上千個具有原子級平整界面的高質量約瑟夫森結。也就是說，我們是在最高水平、最高質量的結構器件上得到的不同于主流的觀點。
在這樣的世界難題面前，我們提出了與主流共識相悖的觀點，這是很難的。10多年來我們一直堅持這一觀點。現在，南方科技大學和清華大學共有6位青年教授帶著20多名研究生，使用世界上最先進的儀器設備，通過最高要求的材料、器件質量控制，用最高的實驗技術水平在做，希望證實我們的觀點。即使最后證明我們是錯的，也沒有關系，因為用最可靠的實驗把一個科學難題的解決推進一步，作用是巨大的。
所以，要挑戰世界性科學難題，我認為除了需要高超的實驗技術、扎實的理論功底，還要勇于質疑共識或主流觀點，并通過深度思考、仔細研究和充分論證，提出自己的觀點。這是批判精神中非常重要的一點。
當然，這種堅持對于有畢業壓力的學生和要證明自己的“青椒”而言，非常不易。我想，我們這些年長的科學家，首先要引導他們練好基本功、培養創新能力，使其敢于挑戰難題，同時通過營造健康的學術環境，讓大家能夠安心科研，敢于做有難度、真正有創新性的工作。
（作者系中國科學院院士，本報記者趙廣立根據其在“科學與中國”院士專家巡講活動中的報告整理）
《中國科學報》 (2023-09-13 第1版 要聞)
