情牵超导 无悔人生——记浙江大学求是特聘教授曹光旱

本刊记者 杜月娇

情牵超导 无悔人生——记浙江大学求是特聘教授曹光旱

本刊记者 杜月娇

国际著名物理学家张富春教授（左）颁发给曹光旱教授荣誉证书（2009年）

1911年，荷兰科学家昂纳斯和他的助手费利姆用液氦冷却汞，当温度下降到4.2K（﹣268.95℃）时，发现水银的电阻完全消失，他们将这种现象称为超导电性。自此，超导电性研究在物理学领域占据非常重要的地位，与超导相关的诺贝尔物理学奖已经颁出了5次（这里未计入2016年的诺贝尔物理学奖，获得该大奖的一部分工作与二维超导直接相关），相继有10人获此殊荣。新型超导材料的探索和发现，不但具有潜在的应用价值，而且能够促进对超导电性的深入理解。同时，新超导体的不断涌现引领了百余年的超导研究进程。然而，这个过程是艰苦而漫长的，且越来越具有挑战性。正如攀登一座高峰，有一些人会半途而废、前功尽弃，而另一些人则能够坚持向前、勇攀高峰。浙江大学物理系求是特聘教授、博士生导师曹光旱，正是这些艰难的登峰人中杰出的一位。

1986年，时年20岁的曹光旱毕业于安徽师范大学。1989年他以第一名的优异成绩考取了中国科学技术大学应用化学系研究生，师从钱逸泰院士。博士生阶段又得到了超导专家张裕恒院士的指导。毕业后来到浙江大学物理系跟随先辈张其瑞先生做博士后研究。优异的成绩和出色的研究能力为他日后的科研事业打下了坚实的基础。顺畅地完成了学业的同时，也使得他与超导研究结下了不解之缘。20多年来，他孜孜不倦地在超导领域开垦，发现了一个又一个新型超导材料，收获了累累硕果，也带出了一批又一批超导研究新生力量，桃李满天下。

低谷中的坚持

从1911年被发现伊始，超导研究百余年间经历了多次“热潮”，也出现了长时期低谷。上世纪50～70年代，以N b T i和N b3S n为代表的二元合金超导体的发现及其实用化，形成了超导研发的第一次热潮。然而这些材料的超导临界温度较低，实用化成本很高。突破此“温度壁垒”，成为超导材料探索的主要目标。1986年，超导研究取得重大突破：K. A. 穆勒和J. G.贝德诺茨在铜氧化合物中观察到“可能的高温超导电性”。随之，中、美科学家很快地将其超导临界温度提升至液氮温区（77K）以上，掀起了世界范围内第二波超导研究热潮。曹光旱幸运地赶上了此热潮的末班车。然而，由于当时研究基础较弱、研究设备简陋、研究经费匮乏，我国的相关研究逐渐落后于美日等国。包括他本人在内的中国同行在国内未能在新型高温超导材料的研制方面取得有国际影响力的重大成果。

在接下来的二十年间，高温超导研究遇到了严峻挑战。例如：高温超导材料的实用化遇到瓶颈，超导临界温度难以进一步提高，高温超导微观机理未能达到共识等，致使其相关研究一度陷入低谷。一部分科学家因此放弃了超导研究，转向比较热门的自旋电子学、石墨烯、纳米科学等方向，可曹光旱等人对超导研究情有独钟，始终在超导领域不断耕耘、探索。正是像他这样的一批科学家的坚持和不懈努力，中国超导研究才有了今天令人瞩目的成就。

厚积后的爆发

2008年春，一批坚守在超导研究领域的中国科学家注意到一种铁砷化合物可在26K下呈现超导电性的报道，敏感地意识到高温超导也许会出现在一个全新的体系——铁基超导体家族中。中国科学技术大学和中国科学院物理研究所研究人员率先取得重大进展：将常压下的超导临界温度提升至麦克米兰极限以上，由此证明铁基超导体是第二类高温超导体，将超导研究推入第三次研究浪潮。

曹光旱教授虽然错过了铁基超导的最早研究机遇，但由于其长期的研究积淀，很快地在此新领域“找到感觉”。2008年以来，他与同事许祝安教授等合作，带领研究组首创数种化学掺杂方法引入铁基超导电性；获得了铁基超导块体的最高转变温度；还首次发现了物理性质独特的铁基铁磁超导体。迄今发表有关铁基超导体的论文百余篇，其中有多篇论文入选ESI高引用率论文。2013年，他与许祝安教授等一起获得了教育部自然科学奖一等奖。这些成果的取得，更增添了其研究动力，使他在新型超导材料的探索中越走越远、愈行愈高。

曹光旱教授（左四）与课题组的部分博士研究生合影（2014年）

从铜基和铁基高温超导研究中，人们总结得出结论：准二维强关联系统可能孕育非常规超导电性。而对于准一维体系，由于其存在所谓Peierls不稳定性以及增强的热涨落效应，很难观察到超导电性。因而，能否在准一维的强关联电子体系中实现超导电性是件非常有趣的重要课题。2015年，曹光旱课题组在一种具有准一维结构的碱金属铬基砷化物A2Cr3As3(A=K,Rb,Cs)中意外发现了超导电性，这是在铬基化合物中首次观察到常压超导。此项研究成果发表后，立刻在国内外引起了强烈的关注，并引发了很多后续研究。研究结果表明，该材料可能呈现全新的超导配对态，因而它对深入认识非常规超导电性具有重要意义。

2016年以来，曹光旱教授课题组在新型超导体的探索方面又取得了若干重要进展。他们分别报道了铁磁超导体RbEuFe4As4和CsEuFe4As4以及含双FeAs层的KCa2Fe4As4F2等超导体。该新型铁磁超导体同时具有很强的铁磁性以及大块超导电性，此项研究成果将进一步加快“磁性超导体”的研究步伐。含有双Fe2As2层的五元化合物铁基超导体则是一类具有化学计量比的“自掺杂”超导体。“该超导体（包括先前发现的若干种新超导体）的发现得益于早年跟随钱逸泰院士读硕博时所学到的结晶化学”，谈到能够发现该超导体的缘由，曹教授如是说。

从青春年少到尽知天命，20多年来，曹光旱教授在超导领域兢兢业业、埋头苦干，历经了很多苦楚，也收获了诸多甘甜。目前他已经培养出近十位博士，他们中大部分都能够在国际权威期刊（如PRL,PRX,JACS等）上发表高水平论文，其中有两位还获得“全国百篇优秀博士学位论文”提名。回首往昔，无怨无悔；展望将来，充满希望。带领他的研究团队在超导领域里有更多的新发现，培养出更多、更出色的新生力量与后备人才，助力中国超导研究达到和保持国际领先水平，这就是他未来最大的动力。