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陈仙辉:以“超导”为起点 立业立身立教

发布日期:2015-12-08

 

2015年,有两件事让人再次关注陈仙辉这个名字。年初,“2015年马蒂亚斯奖”揭晓,陈仙辉是三位获奖者之一,这是中国内地科学家首次获得这一大奖;年底,2015年中国科学院新增院士名单公布,陈仙辉当选数学物理学部院士。

 

而在此前的2013年,已经连续空缺3年的国家自然科学奖一等奖终于名花有主,由赵忠贤、陈仙辉等人完成的《40K以上铁基高温超导体的发现及若干基本物理性质研究》最终获得这一殊荣。

 

这不得不让人关注到陈仙辉和中国超导研究的力量。

 

不期而遇的“科研之源”

 

初出茅庐,陈仙辉就与“超导”不期而遇。

 

什么是“超导”?

 

“超导”是20世纪最伟大的科学发现之一,指的是某些材料在降到一定温度时,电阻消失为零的现象。超导体具有零电阻和完全抗磁性等一系列神奇的物理特性,在科学研究、信息通讯、能源存储、生物医学乃至航空航天等领域均有重大的应用前景,受到世界的广泛关注。

 

1986年,瑞士科学家发现了以铜为关键超导元素的铜氧化物超导体,随后美国科学家和中国科学家把其超导转变温度提高到液氮温度以上,从而掀起了新一轮的“超导热”。当时,国内除中国科学院物理所外,中国科大是高温超导研究的重要单位之一。1987年初,24岁的陈仙辉在杭州大学(现浙江大学)读研一,作为联合培养的硕士研究生,他前往中国科大应用化学系钱逸泰和陈祖耀实验室学习。

 

而此后,国际超导研究领域却经历了一段平淡的时期。这一时期,超导研究鲜有进展,超导家族除了已发现的金属和合金超导体、铜氧化物超导体、重费米子超导体、有机超导体外,没有新发现,很多研究人员都重新选择了研究方向。1989年,硕士毕业的陈仙辉继续在科大学习,师从吴杭生院士读博士,1992年留校工作,时至今日,他一直默默耕耘在超导研究领域。

 

20082月,在外开会的陈仙辉得知,日本科学家发现氟搀杂的镧氧铁砷化合物在-247.15°C时具有超导电性。开完会的陈仙辉,旋即赶往学校,深夜11点,他回到办公室,召集学生讨论和开始工作。

 

“日本科学家的工作给了我们一个启示”,基于长期的积累,陈仙辉首先想到用钐替换镧作为研究对象。一个多月,夜以继日,325日,陈仙辉小组经过反复实验验证,在国际上首次在常压下获得临界温度达到43K(–230.15°C)的铁基化合物超导体,突破了“麦克米兰极限”,这标志着人类发现了新一类的高温超导体,超导家族又多了“铁基高温超导”这一新成员。

 

该项成果发表在国际顶级学术期刊《自然》上,并入选当年“世界十大科技进展”。《自然》审稿人对该工作给予了高度评价:“这是一篇坚实可靠的论文,开辟了氟掺杂ROFeAs化合物的领域。这项工作表明超导转变温度(在常压下)可高于40K,该工作是坚实的,有助于该领域基石的奠定”。目前,该论文已被他引1100余次,是2002-2012十年期间我国被引用次数最高的十篇论文,在物理领域排名第一。

 

43K,这高于40K的数字上的改变,是21年的坚持和一个在寂寞中从容收获的故事。

 

水到渠成的“成果定律”

 

做研究不能有功利心,在陈仙辉看来,“基础科学的研究是一个甘苦自知的漫长过程,也是积累的过程。从自由探索到深入研究,再到实验阶段,积累到一定程度之后,出成果就是水到渠成的事情了。”

 

在陈仙辉眼里,超导充满魅力。“有人说,人类文明史可以用材料来划分,石器时代、青铜时代、铁器时代……下一个可以用来划分时代的材料,可能就是室温超导体。”陈仙辉用坚定的语调描述他的超导世界,“如果发现室温超导,它给人们生活带来的变化将是天翻地覆的。到那个时候,我们出门可以坐上悬浮的超导车,甚至手机、手提电脑充一次电就能用上好几个月。”

 

面对科研之路,陈仙辉自信而清醒,“坚持原始创新是科研人员的生命”;面对取得的成绩,陈仙辉低调而谦逊,“我很幸运,正好遇上了超导研究的两次热潮。”

 

不功利的科研态度,成就了“柳成荫”的创新成果:近年来,陈仙辉和他的弟子们组成的科研小组取得的成果呈现井喷式爆发,团队发现的新型超导体涵盖铜氧化合物、富勒烯、铁基和有机超导体等体系,取得了系统性和创新性的成果,在《自然》、《科学》和《物理评论快报》等国际著名学术期刊先后发表多篇高质量的论文。2013年,陈仙辉基于黑磷具有与石墨类似的二维结构且有能隙,提出开展对其研究的思想。随后,他利用高温高压技术生长出高质量黑磷单晶,并与复旦大学张远波等小组合作,成功地在二维黑磷薄层晶体实现了场效应晶体管。

 

陈仙辉以及中国高温超导研究团队,给了国际超导学术界一个大大的惊叹号!

 

秘诀是什么?

 

“很简单,不懈努力+不惧失败。”

 

“除了吃饭、睡觉和外出参加学术会议,老师绝大部分时间是在实验室和我们一起度过的”,陈仙辉的弟子、中国科大教授、“青年千人计划”引进人才吴涛对一件事情记忆犹新。在铁基高温超导材料的实验制备过程中,一个学生不小心把样品烧化了,“老师带着我们找原因”,就在检查的过程中,意外制备出了高质量的单晶材料。成果发表后,在国际上引起很大反响。

 

在另一次实验中,陈仙辉小组发现了一种双层超导材料的临界温度达到-235.15°C,遗憾的是,由于实验温度控制得过于保守,陈仙辉小组没有使材料实现超导,德国科学家抢先一步,报道了该成果。“科学研究只有第一,没有第二”,陈仙辉感慨,“这种‘挫折’经常发生,也给我们提了个醒,科学研究不能固定思维,独立思考是创新之源。”

 

“他能行吗?”

 

在陈仙辉的事业版图里,教师始终占据着一席重要之地。

 

“我是一名科研人员,同时我也是一位老师,教书育人是我的本职工作。”给本科生开课,也是陈仙辉一直以来的坚持。从1996年开始给本科生教授《热力学与统计物理》课程,一直到2014年,这门课陈仙辉整整讲授了19年。

 

而当年,在正式走上三尺讲台前,导师吴杭生让陈仙辉足足跟堂听了三年的课。三年的准备后,吴杭生觉得时机成熟了。一天,他亲自带着陈仙辉来到教学秘书办公室,希望可以让陈仙辉上《热统》课。

 

教学秘书看着陈仙辉,半信半疑地问吴杭生:“他能行吗?”

 

吴杭生略带保守地回答:“应该行!”

 

在讲授《热统》的前两年,陈仙辉的课堂上时常有一位神秘的旁听者。后来陈仙辉才知道,旁听者是吴杭生的研究生,被派来“偷偷”听课、“监督”陈仙辉的教学能力。私下里,吴杭生让研究生调研陈仙辉的授课效果。当听到学生“反应很好”后,“先生才真正放下心来”。

 

“先生对教学非常重视,这一点也深深影响了我。”2014年,为了让本科生更快地接触凝聚态物理的前沿知识,陈仙辉开设了《凝聚态物理前沿》一课。因为是前沿性的课程,陈仙辉没有教材。讲课时,他就用大量直观、清晰的物理图象来描述复杂的概念和机理。“陈老师的课程不受复杂的物理概念和现象的羁绊,他总是很自由地穿梭其中,逻辑清晰连贯却又不失拓展和发散,还将自己的科研理念渗透在课程中,就像演绎一部逻辑严密的大片。”少年班学院2012级本科生江宏达在陈仙辉的课上受益良多。

 

爱憎分明的“严厉导师”

 

2011年,陈仙辉拿出20万元,在中国科大物理学院设立“吴杭生纪念奖学金”,以表达对恩师的怀念和感恩。

 

“先生很严格,对我的博士论文,他几乎是逐字逐句地修改”,陈仙辉记忆深刻。吴杭生奉行的是“授人以渔”的教学方法,从来不直接说“是什么”,而是让学生主动去探寻“为什么”。一次,陈仙辉遇到个不懂的问题,前去请教。“先生说,这个问题我不太懂,你去看看这几篇文献。”文献读完,问题迎刃而解。“先生对文献掌握得极其清楚,这种启发式的教学方法直接作用于日后的科研实践。”

 

如今,陈仙辉的身上也有着鲜明的“吴氏风格”。

 

他坚持“一对一”的指导研究生,经常到实验室和学生一起做实验、分析数据。对于实验数据,陈仙辉的要求几乎苛刻。实验结果出来后,他要求多次重复,做到确定无疑。他经常问弟子:“你能确定吗?”“你能拍着胸脯说是正确的吗?”

 

刚刚通过“青年千人计划”(南京大学)的刘荣华在跟随陈仙辉读博士时,为研究一种铁砷超导新材料,整整做了一年的实验,获得了一些进展。但由于超导体积含量比较低,陈仙辉不让他急于写论文,要求做到超导体积含量很高时再写。

 

“坊间都说我很严格”,陈仙辉爽朗地笑言,“严格是为了把学生培养成才,没有严格的训练,以后就没有竞争力。”陈仙辉有个准则,“学生在校期间对我有抱怨,我可以不在意。如果学生毕业三年后还对我有看法,那我就要认真反省自己了。”

 

近年来,这个位于安徽合肥的中国科大研究团队开始闻名于世。在位于纽约长岛的布鲁克海文国家实验室,有个不成文的定律,只要是陈仙辉的学生,都能放心接收。

 

这不是陈仙辉第一次被表达敬意。曾经,一个在陈仙辉小组交流了半个月的访问学者被推荐到布鲁克海文实验室,有人提醒实验室负责人,“他不是陈的学生,只是在那边交流了半个月”。负责人回答,“那也放心”。

 

严格只是在科研和学习上,生活上,陈仙辉很爱学生。为了保证组里研究生的生活,除了国家和学校发的助学金和补贴外,陈仙辉每个月在政策允许的范围内尽可能多的给每个学生提供额外的助研费;有国际学术会议,他尽可能让学生参加;学生毕业出国,他就写推荐信向同行积极推荐。

 

当年,导师吴杭生经常在家里请弟子们聚餐,还手把手地教会了陈仙辉做红烧肉。继承衣钵,如今,陈仙辉的家里经常师生同乐,时常飘出记忆久远的红烧肉味儿。