基础研究照亮超导体未知之境 上海交大贾金锋、郑浩团队成果入选2022年度“中国科学十大进展”

图说：上海交大贾金锋、郑浩团队实验证实超导态“分段费米面”，近期入选2022年度“中国科学十大进展” 来源／采访对象供图（下同）

110多年前，科学家发现了超导现象，拉开了物理学界超导研究的帷幕。理论物理学家和实验物理学家不断在预言和证实间博弈和共舞，有11位物理学家分5次因超导研究获得诺贝尔物理奖，推动了超导体基础研究的不断突破，也推动了技术进步，带来了核磁共振、高速磁浮列车、超导电缆等应用。

这一领域仍有许多未解之谜，仍是现代科学的重要命题之一。上海交通大学贾金锋、郑浩团队实验证实了58年前德国物理学家彼得·福尔德（Peter Fulde）的理论预言，近期入选2022年度“中国科学十大进展”。该研究成果开辟了调控物态、构筑新型拓扑超导的新方法，开启了有限动量超导研究的新方向；同时也为超导二极管的研发提供新路径，这意味着速度快百倍、能耗却只有现在计算机千分之一的超导计算机离我们更进一步。

跨领域创新“照亮”未知之境

就像一瓶半满的水能看到水面一样，一个半满的能带也能观测到“电子面”，物理术语叫“费米面”，它决定了固体材料的电学、光学等多种物理性质。对费米面的人工调控，是材料物性调控的最重要途径。1965年，彼得·福尔德理论预言，在原本没有费米面的超导体能隙中可以产生一种特殊的“分段费米面”。 但是实现 “分段费米面”在实验上十分困难，虽然一直有人尝试，但未能取得突破。

物理与天文学院教授、李政道研究所平台建设学者郑浩介绍，与麻省理工学院傅亮团队合作，创新将拓扑物理中的理论和实验手段跨领域运用到超导领域，设计制备了拓扑绝缘体/超导体（Bi2Te3/NbSe2）异质结体系，借助超导近邻效应在Bi2Te3中诱导出超导，得益于Bi2Te3拓扑表面态的费米速度极高的独特优势，只需要很小的库伯对速度，就实现并观察到了分段费米面，“就像原来关着灯，我们无法看到。而现在我们打开了一个‘手电筒’，照亮了超导材料中的分段费米面”。

图说：研究相关前景展望

基础研究需要长期积累

“基础学科，特别是物理学科，是科技的创新源头，也是科技创新的关键动力，对推动国民经济发展，在国际竞争中争取话语权等方面发挥重要作用，”上海交通大学物理与天文学院院长向导说，近年学院对接国家战略，在学科建设、人才引育、科学研究等多方面不断发力，贾金锋院士团队是学院众多科研团队中的杰出代表。贾金锋院士自2009年加入上海交大物理与天文学院，从零开始，一路带领团队，十年磨一剑，在2019年成功捕获“马约拉纳费米子”，找到打开量子计算机大门的切入点，使上海交大在拓扑量子领域跻身世界前列。

“这项成果是团队多年工作的积累和延续。”中国科学院院士、上海交通大学物理与天文学院教授、李政道研究所拓扑量子计算实验平台负责人贾金锋团队于2012年制备出了拓扑绝缘体/超导体异质结，证明了该体系为拓扑超导，并在其中观察到了人们长期追求的马约拉纳零能模，他表示，此次成果是在该体系中发现的新现象，是对该体系持续不断研究的最佳回报。

锁定科学命题去求真，创新突破去求实，理论物理学家与实验物理学家的这场“共舞”，亦是基础研究不断突破和发展的固定范式，需要长期的坚持和积累。郑浩教授举例说，要找到有价值的科学命题，团队与不同领域的专家碰撞火花；为了寻找理想的超导材料，团队尝试制备了许多种材料，经历过无数次失败；为获得最佳精度的观测结果，仪器经过了长达两年的调试磨合，“拿材料制备技术来说，我们相当于造了一张一平方公里的纸，它非常薄，非常均匀，还不能破，这也需要多年技术积累”。

拥有“分段费米面”的超导体可以实现正向零电阻导电和反向非零电阻导电的独特现象（约瑟夫森二级管效应），可以用来构建超导计算机，实现无能耗的高效计算。基于这项成果的新研究正在进行。

郑浩教授表示，未来团队将继续延续推进基础研究工作，将在有限动量超导、库伯对密度波等很多具有重要物理学理论研究价值的领域寻找新解答。

新民晚报记者 易蓉