薛其坤：在挑战高温超导“百年难题”中守正创新

作者：薛其坤   来源：中国科学报

薛其坤院士在报告中。文嘉 摄

物理学有两个非常重要的方向，拓扑量子物理和高温超导。2013年我在清华大学时带领研究团队，发现了拓扑物质中的量子反常霍尔效应。

近百年来，超导和高温超导一直是物理学最重要的研究方向。1911年卡末林·昂内斯最早发现了超导零电阻现象，1913年就因此获得了诺贝尔物理学奖。在过去的一百多年中，在超导领域先后有5次、七八位科学家获得了诺贝尔物理学奖。

超导和超导现象的研究，推动了人类对自然界特别是电阻传输方面规律的深刻理解，这也是人们一百多年来一直持续不断关注的原因。

在超导领域，一个非常重要的研究方向就是把产生超导现象的温度不断提升。昂内斯最早发现超导的时候，实现温度是在液氦4K——约零下270摄氏度左右，温度非常低。不仅如此，液氦很稀缺也非常昂贵，现在大概是200元/升。如果把超导实现温度提升到77K，也就是液氮温度下，零下200摄氏度左右，就非常可观了。因为液氮很便宜，和矿泉水的价钱差不多，人们得到零电阻现象的成本就降低了很多。

当然，人类最大梦想，就是在室温下实现超导。如果真能实现，输电线路就再也不会因电流发热而能耗巨大，很多电器都会因为室温超导的应用，大幅度降低能耗。《阿凡达》电影中悬浮的山，实际上就是室温超导现象。所以室温超导带给人们非常多的想象，不过它现在还只存在于科幻电影中。

1986年，两个瑞士科学家在铜氧化物中发现了高温超导现象——也就是在液氮中实现了超导现象。他们在第二年（1987年）就获得了诺贝尔物理学奖，可以说是最快获得诺贝尔物理学奖的研究工作，引起了非常大的反响。

近40年过去了，人们关于“为什么不是金属的铜氧化物会出现高温超导现象”的探讨还在继续，成了物理学领域至今悬而未决的世纪难题。至少有14位诺贝尔奖获得者和成千上万的研究者，都提出了自己的理论和方案——大多数声称是非常规的或者奇特的，但常常相互矛盾。这引发了“物理巨人之战”。

在解决这一问题过程中，有两个重要问题，超导配对的对称性：各向同性和各向异性。传统认为，铜氧化物高温超导是各向异性（d-波）配对的——在不同方向，它的波函数在物理学上的基本量是不同的，这也是高温超导研究中的一个主流认识。

但经过大量阅读后我们发现，非常规的铜氧化物高温超导或许可以用传统的超导理论来解释：也许高温超导并不是那么“非常规”，而是一种正常的超导现象。

基于这样的想法，2012年，我们发现了单层铁硒(FeSe)与钛酸锶(SrTiO3)衬底结合而衍生出的界面高温超导。虽然温度只是接近、并未达到液氮温区，但综合多个物理参数的推测来看，这是一种新的高温超导体系。它的关键之处在于，这是在非常简单的体系中发现的高温超导现象，它不是各向异性的对称结果，而是一个简单的各向同性（s波）的对称结果。

这个发现挑战了主流观点，这是非常困难的。2021年我们发表了一篇论文，文章题目是《转角超薄铋锶钙铜氧约瑟夫森结中的s波配对》，也就是铜氧化物高温超导的对称性是各向同性——是一个球形状态，而不是大家认为的棒槌形状态。我们这项工作从投稿到发表用了很长时间，尤其在这个过程中，我们的学生制备了上千个具有原子级平整界面的高质量约瑟夫森结。也就是说，我们是在最高水平、最高质量的结构器件上得到的不同于主流观点的发现。

在这样的世界难题面前，我们提出了与主流共识相悖的观点，是一个很难的事情，但十多年来我们一直坚持这样做。现在南科大和清华共有六位青年教授带着二十多个研究生，使用世界上最先进的仪器设备，通过最高要求的材料、器件质量控制，用最高的实验技术水平来做，希望证实我们的观点。也许最后证明我们是错的，也没有关系，因为如果用最可靠的实验把一件科学难题搞清楚，作用也是巨大的。

所以，要挑战世界性科学难题，我认为除了需要高超的实验技术、扎实的物理功底和理论功底，还要勇于质疑共识或者主流观点，并通过自己的深度思考、仔细研究和充分论证，提出自己的观点。这是批判性精神中非常重要的一点。

当然，这种坚持对于有毕业压力的学生和要证明自己的“青椒”而言，非常不易。我想，我们这些年长的科学家，首先要引导他们打好基本功、培养创新能力，使其敢于挑战难题。同时，我们也要通过构建健康的学术环境，让大家能够安心科研，敢于去做有难度、有真正创新性的工作。

（作者系材料物理专家、中科院院士，本报记者赵广立根据其在“科学与中国”院士专家巡讲活动中的报告整理）