周兴江：做尖端仪器 探超导奥秘

本刊记者 王 辉

周兴江：做尖端仪器 探超导奥秘

本刊记者 王 辉

周兴江

2016年1月8日，国家科学技术奖励大会于人民大会堂隆重召开。中国科学院物理研究所研究员，超导国家重点实验室主任周兴江领衔完成的“真空紫外激光角分辨光电子能谱系统研制和相关科学问题研究”被授予国家自然科学奖二等奖。

此时，距离他自主研制出国际上第一台超高能量分辨率真空紫外激光角分辨光电子能谱仪，已经过去了近十年。“这是目前国际上采用真空紫外激光作为光源的第一台角分辨光电子能谱仪，该项目的实施是我国自主研发高精尖仪器的一个成功范例，为科研创新的可持续发展奠定了基础，属于源头创新工作。”当年的验收意见犹在耳边，周兴江却早已走出“第一台”的光环，在利用真空紫外激光研制光电子能谱的道路上连创佳绩。“现在，我们的第四台设备也快完成了。”周兴江说。

“优于1meV”不再是梦

角分辨光电子能谱，是研究材料电子结构的最直接和最有力的手段，在高温超导体研究和其它先进材料的电子结构研究中发挥着重要作用，能够为相关物理研究提供许多关键信息。从1997年开始，周兴江就在美国斯坦福大学和劳仑斯Berkeley国家实验室从事角分辨光电子能谱研究了，不过，那时候，他的研究是采用同步辐射——一种产生光的大科学装置。

“我们做角分辨光电子能谱，一个最关键的性能指标就是能量分辨率。能量分辨率越高，观察到的结果越能反映材料本征的性质。”周兴江说。一直以来，采用同步辐射普遍能达到的工作能量分辨率为10meV左右，而它梦想要达到的指标则是1meV。美国一国家实验室曾投入大量资源研发，但“1meV”的梦想始终遥不可及。

而传统的同步辐射光源或气体放电光源还存在一个长期困扰光电子能谱的问题——也就是所测量的光电子只来自样品表面5～10埃的深度，可对于众多的先进材料而言，仅来自表面一两个原子层的电子能否反应材料的体性质？这也是令许多科学家疑虑和试图解决的问题。

“我就想能不能换激光光源来试试。”事实上，周兴江并不是第一个起念另辟蹊径的人，但在21世纪初，能用于光电子能谱的激光技术尚不成熟，这些念头一直被搁浅。怎么才能找到合适的激光光源呢？在周兴江做文献调研之际，一篇文章令他眼前一亮。“文章里提到激光的某些性能，与我想象中做角分辨光电子能谱对光源的要求非常符合，而且其中有两位作者是中国人。”激动过后，周兴江开始与国内联系，希望能找到这两位作者。不久，他的导师赵忠贤院士给了他肯定的答复。原来，周兴江所感兴趣的KBBF晶体由陈创天院士研究组发明，而棱镜耦合技术则是陈创天院士与许祖彦院士共同发明。

“当时国际上已经有很多著名的角分辨光电子能谱实验组，国内却还没有高分辨的角分辨光电子能谱设备。我希望能够在国内建一台角分辨光电子能谱仪，既要具有先进性，又要有独特性，能够具备与国际最好水平的设备去竞争的能力。”怀着这样的理想回国后，2004年年底，周兴江与陈创天院士、许祖彦院士研究组合作，联合申请了中国科学院科研设备研制和改造项目，正式开启了“紫外激光角分辨光电子能谱仪研制”，采用的恰是KBBF晶体及其耦合技术产生的真空紫外激光。

真空紫外激光角分辨光电子能谱系统的最佳能量分辨率可达到0.36meV，远好于目前同步辐射普遍能达到的工作能量分辨率，从而实现了角分辨光电子能谱技术长期追求的超高能量分辨率优于1meV的梦想。“而且，我们利用的真空紫外激光的光束流强度，比同步辐射能强一百倍到一千倍。”这意味着，新的光电子能谱系统不仅可以大大提高测量效率，也能获得更高质量的测量数据，为揭示电子结构的一些精细结构提供了可能。同时，能谱仪系统采用真空紫外激光后，动量分辨率比采用同步辐射要提高近3倍，又克服了长期困扰光电子能谱技术的对表面的极端敏感性，把现有的角分辨光电子能谱技术提高到了一个全新的层次。

2006年11月23日，经历了两年半的攻关后，周兴江团队第一次看到了他们的成果——从真空紫外激光角分辨光电子能谱仪上获得的第一组数据。12月28日，中科院组织对该项目进行技术成果鉴定，鉴定委员会一致认为：“该真空紫外激光高分辨角分辨光电子能谱仪为国际首创，主要技术指标国际领先。”

“我们的方法并非十全十美，但在几个关键的性能上都远优于同步辐射。更重要的是，同步辐射产生一条光束线需要五六百万美元，而我们的真空紫外激光光源只要两三百万人民币，成本大大降低。”周兴江补充道。

挑战高温超导

高温超导体的超导机理研究，是凝聚态物理学领域中公认的最为突出也最具挑战性的物理问题之一。自1986年铜氧化物高温超导体发现以来，参与研究的科研工作者不乏少数，但其超导机理仍然困惑着大多数人。2008年铁基高温超导体的发现，为高温超导机理研究带来了新的问题和挑战，同时也提出了许多新的观点和研究方向。在高温超导体研究领域里，电子结构的研究是理解材料的宏观物理性质尤其是超导电性的关键，而周兴江采用的角分辨光电子能谱技术，则是当代研究凝聚态物理和材料科学的最重要的实验手段之一，作为唯一能对材料电子结构进行直接测量的最有力的工具，在高温超导体的机理研究中无疑是发挥着举足轻重的作用。

2008年3月28日，周兴江（左一）向财政部和科学院领导汇报工作。

“在所有材料里都存在很多电子。电子用一种方式排列，也许是绝缘体，但换一种方式排列就可能是导体或者超导体。也就是说电子排列方式的不同，会导致材料性能的不同。”周兴江说。高温超导体的奇异物性就与电子和电子之间的强关联作用以及电子电荷、自旋和晶格的相互作用有关。“我们的设备可以直接探测材料内部电子的排列，探测和分离这些多体之间的相互作用，更好地研究高温超导电性机理。”随着实验精度的不断改善，角分辨光电子能谱已经从传统的能带测量工具，逐渐发展成为研究材料中多体效应的重要手段。

周兴江研究团队，利用研制的系列尖端仪器超高分辨率的独特优势，瞄准高温超导机理这一当今凝聚态物理最重要且最具挑战性的前沿问题，对铜氧化物高温超导体和铁基超导体的电子结构和超导电性等方面开展了系统研究，取得了一系列开创性成果, 在国际上引起了广泛的影响。

他们利用自主研制的真空紫外激光角分辨光电子能谱仪具有的超高分辨率的独特优势，与陈创天研究组、许祖彦研究组、美国Brookhaven国家实验室的Genda Gu博士和日本东京理工大学的T.Sasagawa博士等学者合作，在高温超导体Bi2212中，除了观测到70meV的结构外，还在超导状态下第一次观察到115meV和150meV两个新的高能量精细结构，并发现其与超导电性密切相关。这两个新的结构难以用已有的电子耦合模式（电子—声子耦合或电子—磁振子耦合）来解释，这从实验上表明，在Bi2212高温超导体中，可能存在一种新的电子耦合方式，新发现的电子耦合模式为高温超导的起源研究提供了重要的信息。

对铜氧化物超导体欠掺杂区域的研究可以说是理解高温超导机理的关键。20多年来，欠掺杂区域角分辨光电子能谱研究，观察到的费米面形状一直支持费米弧图像，尽管科研工作者们一直在寻找，但始终没有发现费米口袋的证据。周兴江及其合作者利用自主研制的真空紫外激光角分辨光电子能谱的超高分辨率的优势，在实验上首次直接发现了费米口袋和费米弧共存的奇异现象。这项工作，对理解高温超导体奇异正常态的性质、检验和建立新的理论，具有重要的推动作用，在超导领域引起了重要反响。

另一方面，周兴江团队还采用角分辨光电子能谱技术，在国际上最先报道了铁基超导体的各向同性、没有节点的能隙结构，为理解铁基超导体超导机理、建立铁基超导理论及时提供了关键信息。在对一系列新型铁基超导体系的研究中，周兴江发现了它们普适的独特的电子结构特征——只具有电子型费米面，这成为甄别铁基超导理论的一个重要实验依据，同时向铁基超导机理研究中的一种主流的“费米面嵌套理论”提出了挑战。

“要么第一，要么最好！”

2004年，周兴江入选中国科学院百人计划，回到中科院物理所工作。用他的话说，他是一心想要在国内建设高水平的角分辨光电子能谱的。“紫外激光角分辨光电子能谱仪研制”项目筹备时，物理所在实验条件紧张的情况下，批给他一间实验室，又从别的组调两位同事来帮他。“我第一批招了3个学生，加上所里分派的两位职工，就这么开始了工作。”

与同步辐射相比，当时国际上在真空紫外激光角分辨光电子能谱仪研制上还缺乏成熟的经验。而作为一种尖端基础研究的科学实验手段，角分辨光电子能谱仪的商用性不是很强。“但对科学研究来说，又是一个必需品”，周兴江说，“所以只能根据实际工作的需要，提出设计思路，确定性能指标，然后自己动手采购零部件进行仪器装置的搭建。”

从设计、安装到调试，周兴江和他的团队需要亲手完成整个过程。“基础研究，只有世界第一，没有世界第二。我们要么做第一，要么做最好。”周兴江回国时，国内对设备研制的重视程度还不高，科研人员对此也不甚热衷。“从设备开始研制到发表第一篇文章，四五年的周期是很常见的。但对一个研究组来说，四五年不发表文章，会很有压力。”虽然物理所并不以论文指标来对他的工作进行衡量，但周兴江的自我要求还是带给他无形的压力，这种压力到2008年准备发表第一篇论文时达到了顶峰。“尤其是第一篇论文投出去之后，等待评审意见的过程很是煎熬。等到第二篇论文也发表后，才开始逐渐有所缓解。”

2006年11月23日，真空紫外激光角分辨光电子能谱仪成功获得第一组数据时周兴江和团队合影。

尽管如此，光电子能谱仪还是以超乎周兴江预期的速度进展着。2006年年底，第一台真空紫外激光角分辨光电子能谱仪研制成功之后，成为我国自主研制设备的典范。以此为突破口，财政部和中国科学院在2008年年初启动了“重大科研装备自主创新试点”项目“深紫外固态激光源前沿装备研制”，第一期准备完成8台设备2个中心的目标，其中，周兴江团队自主研制的设备就占了3台。

“要完整描述一个材料的电子状态，主要有3个量——能量、动量和自旋。我们的第一台设备，可以测量能量和动量。”周兴江介绍说。在这一次的专项中，周兴江团队完善了“超高能量分辨率真空紫外激光角分辨光电子能谱仪”之后，又研发了“同时具有自旋分辨和角分辨功能的真空紫外激光光电子能谱仪”，这样一来，国际上首次可以利用真空紫外激光来完整测量能量、动量和自旋，大大提升了光电子能谱仪的性能。

他们交上的另一个作品是“基于飞行时间能量分析器的真空紫外激光角分辨光电子能谱仪”。“动量是一个三维物理量，但以前全世界所有的光电子能谱仪测量动量都是进行线扫描，我们的设备可以直接采用面扫描，性能提升的同时，动量测量效率也提高了两百倍以上。”

这两台新作也在验收中获得了优秀的评价。在此之后，财政部和中国科学院一鼓作气，又启动了“深紫外固态激光源重大科研装备研制”二期项目。在该项目中，周兴江准备完成他的第四台设备。“一般的角分辨光电子能谱中，样品最低温度通常是10K，但是要进行超导研究，就必须将样品温度保持在超导温度之下。现实是，很多材料的超导温度都在10K以下，有的只有2～3K或更低。”面对这样的现状，周兴江在第四台设备上的目标就是将样品温度降到1K以下，同时，将能量分辨率从1meV进一步改善到0.1meV，也就是再提高一个量级。随着项目的进展，他的这一目标也即将实现。

真空紫外激光光电子能谱实验室布局图

周兴江和团队开发的真空紫外激光角分辨光电子能谱仪

2008年，周兴江意外地获得了首届周光召基金会“杰出青年基础科学奖”。说“意外”，是因为他并不知道自己入围了这个奖项，也不曾主动提供过任何资料。在颁奖仪式上，周光召先生特别指出，基础研究原创性成果的产生需要有最先进的实验手段和独特的创新思路。“这也是我们当初坚持自主发展尖端仪器设备的初衷。”周兴江深有同感。

“事情多做一点，调子放低一点！”

周兴江的研究得到了国内外学术界的高度认可。著名凝聚态物理理论物理学家、美国加州大学教授Chandra Varma曾专程写信给周兴江，盛赞他的实验结果是他见过的最高质量的数据，并明确表达希望可以寻求合作机会；除此之外，美国哈佛大学Subir Sachdev等教授也纷纷来函，对周兴江研究组的工作给予高度评价，并进行了深入的科学问题及可能的合作意向的讨论。他本人也成为《科学仪器评论》首位来自中国大陆的编委，获得2009年度中国物理学会“胡刚复奖”。2013年，周兴江获得全球华人物理和天文学会“杰出科学成就奖”。2015年，他获得了“第三世界科学院TWS物理奖”。该奖项至今只有9位国内学者获奖，除周兴江以外，前8位均为院士，如赵忠贤院士、范海福院士、张杰院士、王恩哥院士、薛其坤院士等。

对于成功，周兴江直言奖励是一柄双刃剑，“我宁愿多做一点事，调子适当低一点，万事不能过度”“为人还是实在一点好”。在别人看来，12年中推出4台具有自主知识产权和国际领先水平的仪器，绝对是“大牛”级别。他却称自己和团队固然努力，还有一种幸运是适逢其时。“从1993年两位院士开始做KBBF晶体研究，到2004年刚好开始可以利用。早一点回国，还不能用；晚一点回国，也许就被别人用了。”

不论如何，到现在，周兴江的研究组里已经有5位职工和20来个学生。早已不是当初人手捉襟见肘的样子。“我们讨论多次，定下了8个字作为组训：独立、协作、创新、求精。”他倡导做研究一定要独立自主，从制备材料到仪器的设计、研制、升级和维修，再到查阅文献做科研等，都要能够游刃有余地掌握。他给予学生充分的自由和信任，“每个人都想做好，也都能做好”，周兴江说，“要让学生真正从内心感受科学，热爱科学。”

“我对待学生相当宽容”，周兴江说。他是一个严格而不严厉的人，面对学生，不管是沉迷游戏的，还是在研究的关键时刻犯错的，他都不会劈头盖脸地批评人，而是以私下发邮件等形式让他们认识到自己的错误。“不能让学生因为一次犯错就不敢做事了，他们犯错本来就忐忑，我的不批评反而让他们印象深刻。”他补充道。

一直以来，周兴江都相信人的潜力是无穷的。就像在去德国之前不知道什么是拉曼散射，去美国之前也不懂得什么是角分辨光电子能谱，他自己有着这样的经历，也不愿去“伤害”学生的科研热情。在学生进组之前，他就会给他们打预防针，希望他们能做好吃苦和坐冷板凳的准备，朝着“做最好的研究”努力。可一旦进组，不管是研究生，还是前来学习、实习的其他学生，他都会尽己所能地帮助他们。

“2004年，我在美国的‘老板’对我讲，你将来会和我一样。我觉得特别不可思议，在美国时，基本上一眼能看到自己二三十年后的样子，能做的事情都被圈定了。可是回国之后才发现，给我一个机会，就可能做到当初梦想不到的事情。”他相信，这些学生们也一样。