追寻高温超导的秘密——记北京师范大学教授、“千人计划”专家殷志平

本刊记者 李明丽

追寻高温超导的秘密
——记北京师范大学教授、“千人计划”专家殷志平

本刊记者 李明丽

2012年博士后期间，在缅因州阿卡迪亚公园留影。

2016年是我国“十三五”规划的开局之年，为加快推进人才发展体制机制改革，我国正以更加开放的视野和理念，更大力度地实施国家“千人计划”。“国以才立，政以才治，业以才兴。”这项海外引智工程无疑给我国科技事业的发展带来了巨大的影响。

“入选‘千人计划’不只是一种待遇、一种身份，更要背上相应的责任。”2016年中组部“千人计划”青年项目入选者殷志平这样说。

与名师相伴的科研之路

“当初出国是为了求学，既然学成，归国是自然的。”说话的正是2015年回国的殷志平。他从北京大学毕业出国深造到回国，整整10年。

殷志平的本科专业是物理，毕业之后，为了追求更尖端的知识来到美国加州大学戴维斯分校物理系继续深造。在这里，他遇到了导师Warren Pickett教授，同时有幸与Sergey Savrasov教授紧密合作，接触到了奇妙的凝聚态物理学。

“凝聚态物理，是以固体物理为基础的外向延拓，是现代物理最重要的分支学科之一。当前，凝聚态物理已形成了比固体物理学更广泛、更深入的体系，从事凝聚态研究的人数在物理学家中首屈一指，每年发表的论文数在物理学的各个分支中居领先位置。”殷志平说。可以看出，对于凝聚态物理，殷志平兴趣满满。

抱着这样的热情，殷志平先后在美国罗格斯大学和纽约州立大学石溪分校从事博士后研究工作，跟随Gabriel Kotliar教授等著名科学家。殷志平求学期间虽然不在世界顶级名校，但幸运的是，他能一路与名师相伴，并取得了不错的成绩。

在美国罗格斯大学，殷志平以副研究员的身份工作了4年，他所在的Gabriel Kotliar教授组堪称世界闻名。Gabriel Kotliar教授是动力学平均场理论的开山鼻祖之一，是国际上享有盛誉的明星学者，曾获欧洲凝聚态物理方面的最高奖“欧洲物理奖”（很多此奖的获得者后来获得了诺贝尔奖）。在凝聚态物理方面，Gabriel Kotliar教授组在国际上以基于动力学平均场理论和密度泛函理论的第一性原理计算研究强关联电子体系、高温超导而享有盛名。

“所谓第一性原理，是指根据原子核和电子互相作用的原理及其基本运动规律，运用量子力学原理，从具体材料出发，经过一些近似处理后直接求解薛定谔方程而得到实际材料电子结构的方法。”殷志平简单解释道。

对于殷志平来说，在这样的小组中工作是很有压力的。但没有压力就没有动力，机遇与挑战并存，压力与动力共生。在Gabriel Kotliar教授组做相关研究期间，殷志平争分夺秒地吸取知识，并将其转化为自己的养分。5年间，他的主要研究方向是强关联体系第一性原理计算，特别是基于动力学平均场理论和密度泛函理论的第一性原理计算，在强关联体系和非常规（高温）超导体特别是铁基超导体领域做出了重要贡献。

自2008年铁基超导体作为高温超导体的地位被确立之后，物理和材料学界掀起了新一轮高温超导研究热。另一方面，凝聚态理论的长足进展使科学家弄清楚了许多材料的物性问题，但是还存在一些疑难问题悬而未决，其中最突出的莫过于强关联电子体系的问题。

初生牛犊不怕虎。既然要做，就挑最具挑战性的领域。殷志平初涉此间，选择的就是凝聚态物理中最困难的领域——强关联体系。他和合作者率先提出了铁基超导体是一类全新的强关联体系，并命名此类体系为洪德金属，继而进一步提出并命名了洪德绝缘体（如LaMnPO体系）。“在这类体系中，洪德定则耦合能J是最重要的控制参数，区别于传统的莫特绝缘体中哈勃U是最重要的控制参数。”不仅如此，殷志平还与合作者第一个发现了铁基超导体里很强的磁性性质与晶体结构的关联，并由此发现砷（硒）原子到铁原子平面的高度是铁基超导体里最重要的控制参数之一。此发现与后来发现的铁基超导体的超导温度与铁砷（硒）原子距离或者砷（硒）铁砷（硒）原子的角度有密切关系，一脉相承。

在第一性原理计算方面，殷志平与其合作者发展了从第一性原理计算强关联体系的自旋动力学和超导物性的方法与计算程序。基于这些发现，殷志平在包括《自然物理》《自然材料》《自然通讯》《物理评论X》《物理评论快报》《美国科学院院报》等国际一流学术期刊发表学术论文近40篇，被世界一流的科学家引用1400多次，其中两篇文章引用均超过300次。

这些研究成果也得到了国际同行的广泛认可，殷志平于2013、2015、2016年3次受邀在美国物理学会年会上做邀请报告，其研究成果多次在世界顶级会议上被他和他的合作者在邀请报告中重点讨论。

向着新的目标蓄势待发

凝聚态物理最困难的领域是强关联体系，而材料物理里最具有发展前景的领域是设计和发现新型功能材料,如高温超导体、磁性材料、光伏材料等。在强关联体系和新型功能材料领域实现新的突破具有很重要的科学和现实意义。

基于动力学平均场理论和密度泛函理论的第一性原理计算近些年在凝聚态物理的强关联体系和材料物理的新型功能材料中大放异彩。但是，国内目前还非常缺乏这方面的一流专家，这方面的研究迫切需要与国际接轨。

在这样的大背景下，2015年年底，已经独当一面的殷志平全职回国，加入北京师范大学，于2016年入选中组部千人计划青年项目并获优先支持。谈到回国的打算，殷志平踌躇满志：“我希望能在国内推广和发展基于动力学平均场理论和密度泛函理论的第一性原理计算研究，同时希望能够促进国内在强关联体系和新型功能材料领域取得新的突破。”

言犹在耳，依托千人计划的支持，殷志平成立了自己的研究组。“在国家的支持下，研究组的经费充足，研究条件也很好，包括建设了一套最前沿的高性能计算集群。”殷志平解释说，之所以配备如此先进的计算集群是因为强关联体系是复杂的多体问题，而第一性原理的多体理论计算需要强大的计算资源，国内的超算中心无法满足团队的计算需求。

随后，殷志平申请了国家自然科学基金面上项目“铁基超导体中的自旋涨落及其与超导的关联”，志在对高温超导机制进行进一步探索。

殷志平说：“理解高温超导机制不仅会显著地推动科学的发展，还会产生重要的实际应用。近年发现的铁基超导体给我们提供了一个新的平台去揭开高温超导机制。自旋涨落，轨道涨落和电声子耦合都被提出来作为可能的铁基超导机制。”要区分这些机制需要准确的理论和方法，就是殷志平的研究重点。

目前，多体理论-动力学平均场理论-结合密度泛函理论（DFT+DMFT）被证明能很好地描述铁基超导体，包括关联强度、有序磁矩、光电子能谱、自旋涨落等物性。但对殷志平来说还不够，要想弄清可能的超导机制，还必须对工具加以创新。“我们将发展和应用最新的DFT+DMFT工具去研究三类特殊的铁基超导体系，包括LaFeAsO的H掺杂、FeSe薄膜的K掺杂和KxFe2-ySe2加压。它们特殊的双拱形相图对可能的超导机制有更多的限制。”殷志平说，“我们将通过准确计算它们的电子结构，关联强度和自旋涨落随掺杂和加压的变化来建立这些物理量和超导电性的关联，并找到最可能的适用于铁基超导体的超导机制。”

自铁基高温超导体被发现以来，许多科研人员致力于寻找新的高温超导体，而殷志平的成果将为设计和发现新的高温超导体系奠定重要的基础。“这是一件激动人心的事”，殷志平说：“在强关联条件下，超导机制的可能性是多种多样的。而揭开高温超导机制的秘密，更是与我国现代科技的进步、国家国防和空间安全以及老百姓的生活福祉都息息相关。”