金魁的實(shí)驗(yàn)室在一樓拐角第一間。打開(kāi)門(mén)，一臺(tái)復(fù)雜而龐大的精密儀器，占據(jù)了50多平方米房間的一半。
站在它面前，金魁充滿期待，也感受到了巨大壓力。
2012年，31歲的金魁學(xué)成回國(guó)，被聘為中國(guó)科學(xué)院物理研究所（以下簡(jiǎn)稱中科院物理所）特聘研究員，他把自己所有的人才經(jīng)費(fèi)投給了面前的這臺(tái)儀器。對(duì)于他即將開(kāi)展的工作來(lái)說(shuō)，從國(guó)外定制的這臺(tái)儀器是核心之一。
他很清楚通過(guò)這臺(tái)儀器想要解決的科學(xué)問(wèn)題——利用材料基因的技術(shù)，加速高溫超導(dǎo)定量化物理規(guī)律的探索。但怎么做？考慮現(xiàn)實(shí)情況，能否在5年—10年內(nèi)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)？對(duì)此，金魁心里還是有些忐忑。
今年2月17日，金魁帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在這臺(tái)儀器上開(kāi)發(fā)了材料基因技術(shù)——連續(xù)組分超導(dǎo)單晶薄膜制備及跨尺度表征技術(shù)，并利用該技術(shù)揭示了30年未解的高溫超導(dǎo)定量化物理規(guī)律。
“絕技”——兩位國(guó)際審稿人不約而同地給出了這一高度評(píng)價(jià)。
讓美國(guó)導(dǎo)師搖頭的想法
他在國(guó)內(nèi)實(shí)現(xiàn)
高溫超導(dǎo)研究已有110多年歷史了，至今仍是物理學(xué)界最重要的前沿問(wèn)題和最難攻克的科學(xué)問(wèn)題之一。其中，高溫超導(dǎo)的機(jī)理是未解的跨世紀(jì)謎題，解決這個(gè)難題的關(guān)鍵是找出重要物理量之間的關(guān)系，并定量化表達(dá)。而找到一個(gè)重要規(guī)律，往往需要幾年甚至幾十年時(shí)間，也面臨著實(shí)驗(yàn)精度的重大挑戰(zhàn)。
2011年，美國(guó)提出了“材料基因組計(jì)劃”，意在通過(guò)使用計(jì)算能力、數(shù)據(jù)管理和新的綜合性實(shí)驗(yàn)方法，使材料物性研究和應(yīng)用的效率更高。這在材料、能源等領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。
那時(shí)，金魁在美國(guó)馬里蘭大學(xué)從事博士后研究，跟隨兩位導(dǎo)師分別開(kāi)展高溫超導(dǎo)和材料基因方法學(xué)探索研究。
尋找規(guī)律，或許能從一類(lèi)關(guān)鍵的高溫超導(dǎo)體系La2-xCexCuO4（LCCO）中找到答案。LCCO是唯一覆蓋全超導(dǎo)摻雜區(qū)的電子型高溫超導(dǎo)體系，但只能以單晶薄膜的形式穩(wěn)定存在。
于是，他首先獲得了系列高質(zhì)量單組分LCCO超導(dǎo)單晶薄膜，通過(guò)單晶薄膜成功獲得了完整的相圖，并從該圖中發(fā)現(xiàn)了高溫超導(dǎo)兩個(gè)關(guān)鍵物理量——奇異金屬（如線性電阻）與高溫超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度存在定性聯(lián)系。
2012年，金魁即將結(jié)束博士后研究，他想回國(guó)繼續(xù)發(fā)展新一代高效率材料基因技術(shù)，并融入高溫超導(dǎo)研究中。當(dāng)他跟導(dǎo)師們分享這個(gè)想法時(shí)，導(dǎo)師們搖搖頭，覺(jué)得非常難。
2012年12月25日，金魁回到北京。第二天，他正式入職中科院物理所超導(dǎo)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。他說(shuō)：“回到超導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室，就是要攻下難題。”難題是如何找到奇異金屬與高溫超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度定量化的關(guān)系，唯一也是最好的辦法，是在合成材料中不斷地嘗試。
“相當(dāng)于配一服中藥，調(diào)試合適的配方。”金魁解釋道。不同的是，他們調(diào)的是原子級(jí)別的元素，調(diào)試的精度是千分之一甚至萬(wàn)分之一，要在每一次調(diào)試配比時(shí)捕捉其變化過(guò)程，最終找到定量的數(shù)值。更難的是，要保證變化過(guò)程中原子排列整齊有序。
可靠的統(tǒng)計(jì)物理規(guī)律需要更多可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，而傳統(tǒng)的研究手段需要數(shù)年時(shí)間才能合成系列化學(xué)組分的單晶薄膜，而且控制精度有限。美國(guó)一個(gè)團(tuán)隊(duì)在2016年描述了超導(dǎo)的另一個(gè)定量規(guī)律，用了12年、2000多個(gè)樣品。
“傳統(tǒng)的‘試錯(cuò)型’實(shí)驗(yàn)方法效率低，很難進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)從定性到定量的認(rèn)識(shí)。”金魁說(shuō)。
因此，回國(guó)之后的前5年，金魁和同事帶著研究生把大多數(shù)時(shí)間都花在了技術(shù)上。他們發(fā)展了新一代“連續(xù)組分超導(dǎo)單晶薄膜制備及跨尺度表征技術(shù)”，并將物性識(shí)別率提升了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。
走通了流程，接下來(lái)就是快速獲取高質(zhì)量數(shù)據(jù)。在金魁看來(lái)，這是量變引起質(zhì)變的一個(gè)過(guò)程，即通過(guò)大量可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)找到統(tǒng)計(jì)物理規(guī)律。
金魁團(tuán)隊(duì)在這條交叉創(chuàng)新的道路上“十年磨一劍”，最終揭示了奇異金屬散射和高溫超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度之間的普適物理規(guī)律，實(shí)現(xiàn)了高溫超導(dǎo)定量化認(rèn)識(shí)道路上的一個(gè)重要突破。
國(guó)外拒售的高端設(shè)備
他們自主研發(fā)更強(qiáng)版本
回國(guó)后，在尋找規(guī)律、開(kāi)展理論研究的同時(shí)，金魁還在干著另一件事——研制設(shè)備，并帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)走出了一條獨(dú)特的高溫超導(dǎo)薄膜技術(shù)路線。
關(guān)鍵材料的研發(fā)周期幾乎直接決定了相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展進(jìn)程。材料基因組技術(shù)的出現(xiàn)，為縮短材料研發(fā)周期帶來(lái)了希望。其中，組合薄膜制備技術(shù)是材料基因組核心技術(shù)之一。發(fā)展更加精確的高通量薄膜制備和原位表征手段十分必要，對(duì)包括超導(dǎo)材料在內(nèi)的多個(gè)前沿領(lǐng)域研究具有重要意義。
過(guò)去30多年里，在以中國(guó)科學(xué)院院士趙忠賢為代表的幾代科研人員努力下，高溫超導(dǎo)研究在中國(guó)扎根。“我國(guó)雖然位列世界超導(dǎo)研究的前排梯隊(duì)，但實(shí)驗(yàn)室中的高精尖制膜設(shè)備卻嚴(yán)重依賴進(jìn)口，尤其是發(fā)達(dá)國(guó)家在關(guān)鍵核心技術(shù)和設(shè)備上對(duì)我國(guó)實(shí)施禁運(yùn)封鎖，導(dǎo)致我國(guó)高質(zhì)量應(yīng)用型‘薄膜’和‘制膜精尖設(shè)備’受到掣肘。”金魁說(shuō)。
一開(kāi)始，由于相關(guān)技術(shù)在我國(guó)還未有成熟先例，金魁團(tuán)隊(duì)先從國(guó)外購(gòu)買(mǎi)了一套先進(jìn)的激光鍍膜設(shè)備，做出的高溫超導(dǎo)薄膜尺寸小，只夠科研用。事實(shí)上，2月17日發(fā)表、被《自然》審稿人評(píng)為“絕技”的成果，就來(lái)自于文章開(kāi)頭提到的從國(guó)外定制改造的儀器。
國(guó)外公司拒絕出售大尺寸薄膜制備設(shè)備。“更重要的是，國(guó)外設(shè)備只能實(shí)現(xiàn)單面薄膜制備，無(wú)法滿足團(tuán)隊(duì)需求。”金魁說(shuō)。
于是，自主研制科研和應(yīng)用所需的高端設(shè)備勢(shì)在必行。在中科院儀器研制項(xiàng)目的資助下，金魁與團(tuán)隊(duì)骨干、主任工程師袁潔帶著學(xué)生，與中科院物理所主任工程師郇慶團(tuán)隊(duì)合作，對(duì)設(shè)備進(jìn)行了反復(fù)的設(shè)計(jì)優(yōu)化和改進(jìn)。研發(fā)歷時(shí)5年多，僅圖紙?jiān)O(shè)計(jì)就多達(dá)40多個(gè)版本，最終完成了全面的性能指標(biāo)測(cè)試。
該設(shè)備采用的關(guān)鍵技術(shù)為研發(fā)團(tuán)隊(duì)首次提出，核心部件均為自主研發(fā)。這臺(tái)儀器一面有著900多攝氏度的“極高溫”、一面有著零下260多攝氏度的“極低溫”?？茖W(xué)家通過(guò)操作，讓原子面貌及其特性關(guān)系在“兩極”之間顯露無(wú)遺，精準(zhǔn)且穩(wěn)定。
它是當(dāng)前國(guó)際上最先進(jìn)的第四代高通量制備與原位電子態(tài)表征實(shí)驗(yàn)設(shè)備，具備多項(xiàng)獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，稱其為“將成為材料基因研究的重要工具”。
未來(lái)，在這臺(tái)自主研發(fā)的機(jī)器上，科研人員有望做出更多成果。
這是技術(shù)路線的第一步——設(shè)備尖端化，但投入應(yīng)用成本較高。2019年，金魁和趙忠賢在東莞松山湖材料實(shí)驗(yàn)室建成了一支10人左右的“實(shí)用超導(dǎo)薄膜”研究團(tuán)隊(duì)。
“在松山湖，我們不需要考慮發(fā)文章，能真正專(zhuān)注、全力以赴地解決應(yīng)用難題。”金魁說(shuō)。
2021年年初，他們通過(guò)技術(shù)集成創(chuàng)新，成功研制出基于國(guó)產(chǎn)部件的“三光束脈沖激光共沉積鍍膜系統(tǒng)”，并制備出大尺寸雙面釔鋇銅氧（YBCO）超導(dǎo)單晶薄膜，為我國(guó)高品質(zhì)、應(yīng)用型超導(dǎo)薄膜產(chǎn)品制備技術(shù)帶來(lái)新突破。
“我們用了近8年時(shí)間，走出了一條從定制到設(shè)計(jì)，再到核心部件國(guó)產(chǎn)化，最后整機(jī)國(guó)產(chǎn)、尖端化、實(shí)用化的技術(shù)路線，解決了大面積鍍膜設(shè)備‘卡脖子’問(wèn)題。”金魁說(shuō)。
不是天賦型選手
更愿帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)“探險(xiǎn)”
金魁一直認(rèn)為，取得這些成果不是靠他一個(gè)人，而是依靠背后整個(gè)團(tuán)隊(duì)的力量，尤其是一批優(yōu)秀的學(xué)生。
他管理團(tuán)隊(duì)有妙招。在團(tuán)隊(duì)里，金魁把“硬骨頭”作為科研主線，同時(shí)，將超導(dǎo)領(lǐng)域其他物理問(wèn)題和應(yīng)用基礎(chǔ)問(wèn)題作為科研“復(fù)線”，由“復(fù)線”支撐，保證實(shí)驗(yàn)室的正常運(yùn)行和持續(xù)發(fā)展，主線則慢慢往前走。
馮中沛是金魁的博士生。在中科院物理所時(shí)，金魁就發(fā)現(xiàn)馮中沛擅長(zhǎng)做超導(dǎo)薄膜和儀器研發(fā)，但不擅長(zhǎng)寫(xiě)論文。因此，在“實(shí)用超導(dǎo)薄膜”研究團(tuán)隊(duì)組建之時(shí)，金魁就建議馮中沛到松山湖實(shí)驗(yàn)室跟隨趙忠賢進(jìn)行博士后研究，開(kāi)展應(yīng)用研究工作。
在那里，馮中沛的熱情和能力被充分激發(fā)，他是“三光束脈沖激光共沉積鍍膜系統(tǒng)”的主要設(shè)計(jì)和搭建者。
金魁時(shí)常告訴學(xué)生，一定要與不同的團(tuán)隊(duì)多交流，把自己以前所學(xué)的知識(shí)帶到一個(gè)新團(tuán)隊(duì)，跟他們的方向交叉融合，然后找到適合的方向。
“不管哪個(gè)學(xué)生，只要需要，我會(huì)幫他們聯(lián)系所內(nèi)外老師，甚至國(guó)外團(tuán)隊(duì)。我鼓勵(lì)我的學(xué)生去跟外面的人交流，幫他們創(chuàng)造條件。”金魁說(shuō)。
從金魁研究組出去的學(xué)生很出色，他們因知識(shí)扎實(shí)、技術(shù)過(guò)硬、特色鮮明而被贊譽(yù)。
作為一名青年科學(xué)家，金魁曾被人問(wèn)到，是愿意做科研工作的探險(xiǎn)者、導(dǎo)游還是游客。
“我不是天賦型選手，但想做個(gè)探險(xiǎn)者。”金魁說(shuō)，“前路更需堅(jiān)定、專(zhuān)注，需要足夠耐心。”
