圖為“費(fèi)米面”與半滿水瓶中的水表面對比。中青報(bào)·中青網(wǎng)記者 王燁捷/攝

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圖為賈金鋒院士在實(shí)驗(yàn)室工作。受訪者供圖

近日，上海交通大學(xué)賈金鋒、鄭浩團(tuán)隊(duì)的“實(shí)驗(yàn)證實(shí)超導(dǎo)態(tài)‘分段費(fèi)米面’”科研成果入選2022年度“中國科學(xué)十大進(jìn)展”。這項(xiàng)聽起來晦澀難懂的成果，是基礎(chǔ)科研領(lǐng)域一項(xiàng)重大進(jìn)展。

中國科學(xué)院院士、上海交通大學(xué)物理與天文學(xué)院教授賈金鋒介紹，團(tuán)隊(duì)2012年制備出了“拓?fù)浣^緣體/超導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)”，證明了該體系為拓?fù)涑瑢?dǎo)，并在其中觀察到了人們長期追求的馬約拉納零能模。這次的成果是在該體系中發(fā)現(xiàn)的新現(xiàn)象，是對該體系持續(xù)不斷研究的一種回報(bào)。

研究團(tuán)隊(duì)在超導(dǎo)材料中實(shí)驗(yàn)并證明了“分段費(fèi)米面”的存在，這種碎片化的費(fèi)米面，能使得原本只能“零電阻雙向?qū)щ姟钡某瑢?dǎo)材料具備“零電阻單向?qū)щ姟钡奶匦?，這種超導(dǎo)材料有望被用來制作“超導(dǎo)二極管”，并應(yīng)用于科學(xué)界遐想已久的“超導(dǎo)計(jì)算機(jī)”。

令人無限遐想的“超導(dǎo)計(jì)算機(jī)”

在不少人看來，“超導(dǎo)計(jì)算機(jī)”是最令人遐想的一件好東西。計(jì)算機(jī)從最早使用真空二極管到后來使用半導(dǎo)體二極管，經(jīng)歷了兩次大革命。但如果能用超級擅長導(dǎo)電但又不發(fā)熱的超導(dǎo)體來給計(jì)算機(jī)導(dǎo)電，那“發(fā)熱”的問題就能迎刃而解。

人們?nèi)粘Ｊ褂玫氖謾C(jī)、電腦，用得時(shí)間長了就會產(chǎn)生發(fā)熱的問題。這種發(fā)熱，不僅會使得電器設(shè)備容易產(chǎn)生故障、減損使用壽命，還會浪費(fèi)電。之所以會產(chǎn)生這種發(fā)熱，主要是因?yàn)槭謾C(jī)、電腦等使用的普通導(dǎo)體有電阻，因此在導(dǎo)電的同時(shí)會發(fā)熱。曾有科學(xué)家把一個(gè)生雞蛋敲碎了放在一臺大型電腦的CPU主機(jī)板上做實(shí)驗(yàn)，這種因普通導(dǎo)體帶來的“發(fā)熱”甚至可以把雞蛋煎熟變成荷包蛋。

“發(fā)熱”在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域著實(shí)是件麻煩事：普通家用的計(jì)算機(jī)裝個(gè)小風(fēng)機(jī)能勉強(qiáng)解決一些問題。但到了大型超級計(jì)算機(jī)那里，發(fā)熱就成了大問題。為了節(jié)能，世界各國都把大型計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)中心建在天氣涼爽的地方，比如我國就采取了“東數(shù)西算”的辦法，把大型計(jì)算機(jī)中心都放在西部，因?yàn)槟抢锵奶鞖鉁氐?。不僅在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，高壓輸電線供電領(lǐng)域，也同樣適用。我國現(xiàn)在用的高壓輸電線都是普通導(dǎo)體，電從發(fā)電廠傳輸?shù)絺€(gè)人用戶家里的過程中，一部分電能因?yàn)閷?dǎo)線發(fā)熱被浪費(fèi)掉了，如果換成超導(dǎo)輸電，能夠節(jié)省大量的能源。

超導(dǎo)現(xiàn)象在1911年被發(fā)現(xiàn)，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，超導(dǎo)體不僅可以做到“零電阻導(dǎo)電”，還不會產(chǎn)生一丁點(diǎn)的熱量。好幾代物理學(xué)家前赴后繼地針對超導(dǎo)體進(jìn)行研究，產(chǎn)生了大量的重要學(xué)術(shù)成果，這些針對超導(dǎo)體的研究僅諾貝爾獎(jiǎng)就得過5次之多。

也因此，“超導(dǎo)計(jì)算機(jī)”成為科學(xué)界研究的一個(gè)高地，也是各國物理學(xué)家的“必爭之地”。不過制備超導(dǎo)計(jì)算機(jī)，一個(gè)不確定的因素是——能否把“零電阻雙向?qū)щ姟钡某瑢?dǎo)材料，變成“零電阻單向?qū)щ姟?？如果不能，那對它的一切遐想和努力，基本都會付諸東流。

超導(dǎo)體中能否產(chǎn)生“費(fèi)米面”

1965年，德國物理學(xué)家Peter Fulde曾做過一個(gè)理論語言：如果讓超導(dǎo)體中的庫伯對動(dòng)起來，增加其動(dòng)量，就能導(dǎo)致庫伯對破裂，進(jìn)而在超導(dǎo)體中產(chǎn)生出一種特殊的“分段費(fèi)米面”。這種費(fèi)米面，能使得超導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)“單向零電阻導(dǎo)電”。

然而，這僅僅是一個(gè)理論預(yù)言，58年來從未有實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過它的可能性。盡管科學(xué)家早已認(rèn)識到這種猜測的重要性，但沒人能證實(shí)它的準(zhǔn)確性。

“費(fèi)米面”是凝聚態(tài)物理學(xué)中的一個(gè)專用詞，它是倒易空間中的表面，在零攝氏度下將占據(jù)電子態(tài)與未占據(jù)電子態(tài)分開。形象地說，它就像是裝在礦泉水瓶中的水的那一層“表面”。普通導(dǎo)體，都具有費(fèi)米面。而超導(dǎo)體雖然零電阻導(dǎo)電，但卻沒有費(fèi)米面。因?yàn)槌瑢?dǎo)體中承擔(dān)導(dǎo)電任務(wù)的不是單個(gè)電子，而是兩個(gè)電子組成的庫伯對。

Peter Fulde預(yù)言的超導(dǎo)體中的“分段費(fèi)米面”，其實(shí)就是一種碎片化的費(fèi)米面，不如普通導(dǎo)體中的費(fèi)米面完整，卻能帶給超導(dǎo)體珍貴的“單向零電阻導(dǎo)電”特性。實(shí)現(xiàn)“分段費(fèi)米面”在實(shí)驗(yàn)上十分困難，雖然一直有人嘗試，但未能取得突破。

賈金鋒、鄭浩團(tuán)隊(duì)與麻省理工學(xué)院傅亮團(tuán)隊(duì)合作，設(shè)計(jì)制備了拓?fù)浣^緣體/超導(dǎo)體（Bi2Te3/NbSe2）異質(zhì)結(jié)體系，借助超導(dǎo)近鄰效應(yīng)在Bi2Te3中誘導(dǎo)出超導(dǎo)，得益于Bi2Te3拓?fù)浔砻鎽B(tài)的費(fèi)米速度極高的獨(dú)特優(yōu)勢，只需要很小的庫伯對速度，就實(shí)現(xiàn)并觀察到了預(yù)言中的“分段費(fèi)米面”。

他們的研究表明，擁有“分段費(fèi)米面”的超導(dǎo)體，可以實(shí)現(xiàn)正向零電阻導(dǎo)電，反向非零電阻導(dǎo)電的獨(dú)特現(xiàn)象（約瑟夫森二極管效應(yīng)），可以用來構(gòu)建超導(dǎo)計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)無能耗的高效計(jì)算。另外，還可以為有限動(dòng)量超導(dǎo)、庫伯對密度波等很多具有重要物理學(xué)理論研究價(jià)值的課題，提供關(guān)鍵的研究載體。

把“異想天開”變成“可能”需要時(shí)間

賈金鋒告訴記者，這項(xiàng)成果的誕生，與上海交大多年來對基礎(chǔ)科研工作長期、穩(wěn)定的支持分不開，“我從進(jìn)入上海交大工作開始，就一直在做這個(gè)體系的研究，我?guī)У膶W(xué)生亦是如此。如果沒有學(xué)校長期、穩(wěn)定的支持，我們做不到這些?！?/p>

基礎(chǔ)研究是科技創(chuàng)新源頭，在推動(dòng)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展、解決“卡脖子”問題，在國際競爭中爭取話語權(quán)等方面發(fā)揮了重要作用。中青報(bào)·中青網(wǎng)記者注意到，包括物理學(xué)科等在內(nèi)的基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，上海交大開辟了一個(gè)“基礎(chǔ)研究特區(qū)”。這個(gè)特區(qū)給了科學(xué)家，尤其是像鄭浩這樣的青年科學(xué)家充足的時(shí)間“折騰”。

這里的“基礎(chǔ)研究特區(qū)”，有實(shí)實(shí)在在的經(jīng)費(fèi)和評價(jià)制度來支撐。

上海交大科研院院長曾小勤介紹，基礎(chǔ)研究特區(qū)的專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)有2億元，其中1億元來自上海交大，1億元來自上海市科委的支持。這項(xiàng)計(jì)劃把科學(xué)家們的研究分為A、B、C三大類。其中A、B類為國家級重大基礎(chǔ)科研項(xiàng)目，資助經(jīng)費(fèi)為500萬元以上；C類為青年探索基金，鼓勵(lì)35歲以下青年教師做一些有可能不產(chǎn)出成果、但意義重大的“高風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)目”，資助經(jīng)費(fèi)為50萬元。

至于一個(gè)項(xiàng)目是否值得學(xué)校對其進(jìn)行“投資”，則由該領(lǐng)域院士作為“項(xiàng)目專員”，邀請國內(nèi)外同行專家進(jìn)行評議?！翱紤]到學(xué)者們不擅長申報(bào)、匯報(bào)，這會占用他們很多時(shí)間，我們評審一次，就會提供長期、穩(wěn)定的支持?！痹∏诮榻B，以C類青年探索項(xiàng)目為例，申報(bào)者實(shí)際上只需要提供一份1000字左右的項(xiàng)目內(nèi)容說明即可，“不看你寫過多少論文，主要靠同行專家、項(xiàng)目專員評議，看你的研究內(nèi)容是否真的要解決一些基礎(chǔ)研究領(lǐng)域前沿的、有突破性的問題。”

據(jù)悉，目前上海交大的“基礎(chǔ)研究特區(qū)”計(jì)劃已經(jīng)支持了6個(gè)B類項(xiàng)目和19個(gè)C類項(xiàng)目?！斑@些項(xiàng)目沒有中期評估，經(jīng)費(fèi)采取包干制。結(jié)項(xiàng)評價(jià)以同行評價(jià)、代表作評價(jià)為主，過程管理相對簡單。”曾小勤說。

鄭浩告訴記者，在物理研究領(lǐng)域，這種長期、穩(wěn)定的支持尤為重要，“我們物理學(xué)家喜歡透過現(xiàn)象看本質(zhì)，也喜歡把不可能變成可能。比如要讓超導(dǎo)材料擁有費(fèi)米面，原本就是一個(gè)異想天開的事情。要證明它可行，需要時(shí)間?！?/p>

中青報(bào)·中青網(wǎng)記者 王燁捷 來源：中國青年報(bào)