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2016
 
  【【科技日報】 鐵基高溫超導研究成果為何與中國科學家結緣】


中科院院士趙忠賢(左四)和團隊在高溫超導實驗室里,從左至右分別為:丁洪、王楠林、方忠、趙忠賢、陳仙輝、聞海虎。
  在2013年度國家科學技術獎勵大會上,以趙忠賢、陳仙輝、王楠林、聞海虎、方忠為代表的中國科學院物理研究所、中國科學技術大學研究團隊因為在“40K以上鐵基高溫超導體的發現及若干基本物理性質的研究”中的突出貢獻獲得2013年度國家自然科學一等獎。自2000年起,國家自然科學一等獎13年里有9次空缺,已經連續空缺3年,最近一次頒獎是在2009年。

 

        (《科技日報》2014年1月11日 第3版)(記者:李大慶)1月10日,北京人民大會堂。
  國家科技獎勵大會在這里隆重舉行。會上,黨和國家領導人向獲得2013年度國家自然科學獎的項目頒獎。只見中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室(籌)(以下簡稱“物理所”)研究員、中科院院士趙忠賢走上主席臺,從國家主席習近平手中接過自然科學一等獎證書。在連續三年空缺之后,“40K以上鐵基高溫超導體的發現及若干基本物理性質研究”在基礎科學領域拔得頭籌。這一刻是中國物理人的光榮,也是中國科技界的光榮。
  對于40K以上鐵基高溫超導體的發現及若干基本物理性質研究,國際著名理論物理學家、美國佛羅里達大學Peter Hirschfeld教授說:“一個或許本不該讓我驚訝的事實就是,居然有如此多的高質量文章來自北京,他們確確實實已進入了這個(凝聚態物理強國)行列”。美國斯坦福大學Steven Kivelson教授說:“讓人震驚的不僅是這些成果出自中國,重要的是它們并非出自美國。”可以說,鐵基高溫超導體的成果足以令中國驕傲:因為中國的超導研究走在了該領域的世界最前沿。
  趙忠賢,一個中國科技界十分熟悉的名字。1986年,趙忠賢等就因為“液氮溫區氧化物超導體的發現及研究”走在當時世界超導領域的最前沿,這項工作于1989年獲得國家自然科學一等獎。24年后,趙忠賢等人再次摘得自然科學一等獎的桂冠。不過,這次獲獎比上次更讓人欣喜:因為取得40K以上鐵基高溫超導體的突破,是一支老、中、青三代相結合的研究團隊,包括趙忠賢、陳仙輝(中國科技大學)、王楠林、聞海虎、方忠、靳常青、丁洪、任治安、陳根富等。
  以這9人為代表的中國科研團隊既相互獨立,又密切合作,共同導演了一出中國版的超導物理大戲,在世界科技的大舞臺上演繹得精彩絕倫。
  鐵基高溫超導在中國“井噴”
  超導是物理世界中最奇妙的現象之一,它的發現已有百年歷史。
  1911年,荷蘭萊頓大學的卡末林•昂內斯意外地發現,將汞冷卻到-268.98℃時,汞的電阻突然消失了。后來他又發現許多金屬、合金都具有與汞相類似的低溫下失去電阻的特性。卡末林將汞的這種特殊導電性能稱為超導態。由于這一物理新發現,卡末林獲得了1913年的諾貝爾物理獎。
  此后,物理學家麥克米蘭根據傳統理論計算推斷,超導體的轉變溫度不能超過40K(約-233℃),這個溫度也被稱為麥克米蘭極限溫度。此理論意味著若要實現電阻為零的超導態,必須要有極低溫環境,這便給超導應用帶來困難。
  人類對超導的應用是否只能被限制在40K以下?抑或是麥克米蘭所依據的傳統理論本身存在缺陷?40K麥克米蘭極限溫度能否被突破?為了探索這些問題,幾十年來,世界各國的科學家們做了無數次嘗試。特別是相對于麥克米蘭極限所描述的低溫環境,科學家們研究超導的美好愿望就是找到40K以上的“高溫”超導。
  1986年初,歐洲科學家貝德諾茲和繆勒發現以銅為關鍵超導元素的銅氧化物超導體,轉變溫度達到35K。這一年的9月份,趙忠賢坐在物理所圖書館翻閱著最新一期的《物理學》雜志,當讀到貝德諾茲和繆勒發表的文章時,他陷入了長時間的思考。他認為繆勒的想法是有道理的,就是要充分利用材料結構的不穩定性來實現高溫超導。10月中旬,趙忠賢便與物理所其他科研人員合作,開始了銅氧化物的超導體研究工作。
  到12月20日,趙忠賢等人在鍶鑭銅氧中實現了起始溫度為48.6K的超導轉變。緊接著,在第二年的2月19日,趙忠賢等人又在釔鋇銅氧中發現了起始溫度高于100K、中點溫度為92.8K的超導轉變。在此之前,世界上一切超導研究都必須采用昂貴并難以使用的液氦來使超導體達到轉變溫度,這對超導研究形成了巨大障礙。趙忠賢團隊是使用液氮來達到超導轉變溫度的,這一方法為超導研究開辟了新天地,大大方便和加速了全世界的高溫超導研究。5天以后,中國科學家正式公布了這一最新成果。
  那一時期,國際上經常有高溫超導的最新成果發布,世界范圍內形成了“超導熱”。但這之后的20多年時間里,超導體研究一直停留在銅氧化物領域。這種材料易脆,作為輸電纜應用時延展性與柔韌性不夠好,在大范圍的普及應用上仍有一定困難。在突破了麥克米蘭極限之后,全世界科學家們對超導材料的探索又一次陷入了迷茫。到上世紀90年代中后期,國際物理學界傾向認為銅氧化物超導體能給出的信息基本上被挖掘殆盡,通過銅氧化物超導體探索高溫超導機理的研究遇到了瓶頸。隨著時間的推移,超導研究的熱度逐漸降低,很多研究者在數次碰壁后紛紛轉移到其他研究領域。
  但是物理所和中科大的超導團隊沒有轉,仍然堅守著“冷板凳”。這“冷板凳”一坐就是20年。
  趙忠賢還在研究超導。他帶著自己一屆又一屆的學生持之以恒地做著實驗,無數次的制備、觀察、放棄、重新開始。終于,這個“冷板凳”被他們坐熱了,在鐵基高溫超導體的探索上揭開了新的篇章。
  在超導百年的研究史中,從來就沒有人看好鐵基材料一族。趙忠賢說,超導體有兩個基本性質:一是零電阻,二是抗磁性。鐵由于自身的鐵磁性從來就不為超導研究者所青睞。以前也曾有科學家用含有鐵成分的材料試驗超導,但也就限于3K、5K,離40K的麥克米蘭極限溫度相距甚遠。
  2008年2月18日,日本東京工業大學的細野秀雄教授與合作者在《美國化學會志》上發表了一篇兩頁的文章,指出氟摻雜鑭氧鐵砷(LaOFeAs)化合物在26K(-247.15℃)時具有超導電性。雖然26K距40K也還有一段距離,但它立刻引起了中國科學家的高度關注。
  在長期研究中保持著跨界關注習慣的物理所陳根富和王楠林小組立即捕捉到了這一消息的價值,他們迅速轉向制作摻雜樣品,一周內實現了超導并測量了基本物理性質。幾乎與此同時,聞海虎研究組通過在鑭氧鐵砷材料中用二價金屬Sr替換三價的La,發現有25K以上的超導電性。
  鐵基高溫超導在中國南北同時開花。在安徽合肥,中國科技大學從上世紀80年代以來,也一直在高溫銅氧化合物超導研究領域開展工作,并于1992年成立了中科大超導研究所,是我國超導研究的重要基地之一。3月25日,中科大的陳仙輝研究組在SmO1-xFxFeAs體系常壓下發現超導轉變溫度為43K的超導電性,這一結果突破了傳統超導的麥克米蘭極限,證明鐵基超導體是除銅氧化物之外的又一類非常規高溫超導體。磁性離子釤(Sm)取代非磁性離子鑭(La)實現的超導轉變溫度大幅提高也表明鐵基超導體具有非常規的超導電性。這項研究成果發表在《自然》雜志上,迄今被引總次數已超過900次。
  在北京,3月26日,王楠林、陳根富也獨立發現臨界溫度超過40K的鐵基超導體,證實為非傳統超導。
  3天后,趙忠賢、任治安通過氟摻雜的鐠氧鐵砷化合物的超導臨界溫度可達更高的52K(-221.15℃);4月初該研究組又發現無氟缺氧釤氧鐵砷化合物在壓力環境下合成超導臨界溫度可進一步提升至55K(-218.15℃),創造了世界鐵基超導體臨界溫度的最高紀錄。
  與此同時,王楠林研究組與從事理論研究的方忠研究組合作,最早提出了鐵基超導材料母體中的條紋自旋密度波相,隨后便為物理所戴鵬程和美國另一個研究組的中子散射實驗證實。一時間,世界上數十家一流的研究機構都向物理所要求提供樣品。
  為了進行更加系統和深入的研究,必須合成一系列的鐵基超導材料才能提供全面、細致的信息。趙忠賢研究組利用高壓合成技術高效地制備了一大批不同元素構成的鐵基超導材料,轉變溫度很多都是50K以上的,創造了55K的鐵基超導體轉變溫度紀錄并制作了相圖,這被國際物理學界公認為鐵基高溫超導家族基本確立的標志。
  那一時段,中國鐵基高溫超導研究成果像井噴一樣涌現。趙忠賢說,那是激動人心的日日夜夜,每兩三天我們就會有新的成果展現給世界。
  2008年以前,科學家們只找到了銅氧化物一個高溫超導體家族。但這個家族的成員屬于金屬陶瓷材料,其加工工藝嚴苛,綜合成本相當高,影響了它的廣泛應用;此外,關于這一家族的高溫超導電性的機理一直也沒有解決。而由中國科學家新合成的系列鐵基高溫超導體被確認為是第二個高溫超導家族,中國創造并保持了鐵基超導體臨界溫度的最高紀錄。
  鐵基高溫超導應用前景廣泛
  對于中國科學家發現的鐵基高溫超導體工作,國際物理學界予以高度評價。當時的《科學》雜志在一篇題為“新超導體將中國物理學家推到最前沿”的文章中指出:“中國如洪流般不斷涌現的研究結果標志著在凝聚態物理領域,中國已經成為一個強國。”
  那一年的歲末,中國的鐵基高溫超導研究被評為《科學》雜志“2008年度十大科學突破”、美國物理學會“2008年度物理學重大事件”以及歐洲物理學會的“2008年度最佳”。
  鐵基高溫超導體的發現是凝聚態物理的一個重大突破。它不僅在科學研究方面意義重大,而且在信息通訊、工業加工、能源存儲、交通運輸、生物醫學乃至航空航天等領域均有重大的應用前景,所以受到科技界乃至全社會的廣泛關注。
  也許大多數人都不知道,其實超導已經或多或少地走進了人們的生活。近年來,國內外相繼研制成功了多種超導材料和超導應用器件,超導正在為人類的工作、學習和生活提供著便利。如高溫超導濾波器已被應用于手機和衛星通訊,明顯改善了通訊信號和能量損耗;世界上各醫院使用的磁共振成像儀器中的磁體基本上都是由超導材料制成的;使用的超導量子干涉器件裝備在醫療設備上使用,大大加強了對人體心腦探測檢查的精確度和靈敏度;世界上首個示范性超導變電站也已經在我國電網投入使用,它具備體積小、效率高、無污染等優點,是未來變電站發展的趨勢;目前可以量產的高溫超導線材的傳輸能力是傳統銅電纜的10倍之多,可以自動抑制電網中的脈沖現象,并且具有體積小的特點,將成為城市電力的重要組成部分……
  專家甚至預測,比高鐵快近一倍的超導磁懸浮列車,比現有計算機快數十倍的超導計算機,還有基于超導技術的導彈防御和潛艇探測系統,都將在不遠的未來走進我們的生活、生產和國防。
  國際化的科研評價體系助推鐵基高溫超導成果出爐
  在2008年發現鐵基高溫超導的4個研究組中,有3個來自物理所。它們之間既相互獨立,又相互合作,仿佛為這次鐵基高溫超導花落中國上了多道保險。為什么鐵基超導工作能在這里產生?中國科學院物理研究所所長、北京凝聚態物理國家實驗室(籌)主任王玉鵬說,這得益于物理所實施了一套新的科研評價體系。
  早期,物理所評價科研人員成果時關注論文總量。發表SCI論文的數量及論文被引用數在全國科研機構中曾連續12年位居第一。物理所的SCI論文之多固然可喜,但在《科學》、《自然》、《物理評論快報》等高水平的國際專業學術刊物上發表的論文,特別是大的原創性工作畢竟還不多。
  “創建國際一流研究所,我們必須在保持一定論文數量的同時,從量的積累向質的飛躍轉變。”物理所領導班子形成這樣的共識。于是開始著眼于高水平的論文,鼓勵做有創新性有影響力的工作。統計數字表明,物理所近五年來在《自然》及子刊、《科學》、《美國化學會志》、《物理評論快報》等高水平刊物上共發表論文249篇,僅2013年就發表論文61篇,達到歷年最高水平,比2003年的22篇增長了177%、比2009年的35篇增長了74%。
  高水平的論文也并非評價機制的終點。如今的物理所又在高水平論文的基礎進一步拓寬了評價系統,實施了國際評價制度。即以“國際評價機制”和“學術交流與考核評價相結合”的方式,以科研成果具有原創性重大突破或符合國家發展戰略需要為更高目標,而不單純拘泥于《自然》或《科學》等刊物的文章發表數量。
  2001年以來,物理所開始試行國際評價制度,2001年、2003年、2007年、2013年分別組織實施了國際國內專家評價工作,20多個國家和地區以及國內著名大學和科研單位相關研究領域的著名專家學者,對物理所的科研方向和研究工作予以評價并提出了具體建議。正因此,2008年,物理所被科技部和國家外國專家局授予首批“國家級國際聯合研究中心”之一。
  鐵基高溫超導體也正是這種評價體制結出的碩果。截至2013年1月4日,鐵基超導研究團隊的8篇代表性論文在SCI中共被他引3801次,20篇主要論文SCI共他引5145次,其中單篇最高他引達到823次。這些他引數字也從另一方面論證了鐵基高溫超導成果的含金量之高。
  只有盛產國際一流水平的科研成果,才能稱得上是國際一流的研究機構。物理所完成了評價體系的“三級跳”,正在一步一步地向國際一流這一目標邁進。
  求賢若渴,唯才是舉,成就鐵基高溫超導夙愿
  人才是創新的主體,是科研活動最重要的資源,沒有一流的人才就沒有一流的科研成果。這是物理所一脈相承的文化。
  博士、博士后、助理教授、副教授、正教授……這是現任北京凝聚態物理國家實驗室首席科學家丁洪原本平靜的美國科研生活路徑。2007年11月,物理所誠懇邀請他加盟。當物理所負責人把他在加盟之后的科研環境、工資待遇等問題全盤托出時,條件之優厚還是讓丁洪有點吃驚。其實,早在得知丁洪有打算“跳槽”的想法后,物理所領導班子就做出了人才引進的決定——這一點,頗有些“慧眼識英雄”且“志在必得”的感覺。
  丁洪對物理所的橄欖枝動了心,成為了美國物理學界辭去全職正教授的第一人。“辭職”事件一度震驚了美國物理學界,丁洪回到了祖國,成為了中國第一批“千人計劃”入選者之一。
  歸國的第二天,丁洪就投入到了鐵基超導的研究當中。當時,丁洪在國內的實驗室還沒有建成,他拿著樣品跑到日本完成了測量,首次通過實驗提出了鐵基超導體的能隙對稱性,解決了這個曾在銅氧化物超導體中被長時間爭論的問題。
  王楠林研究組當時有一員干將名叫陳根富,也是物理所從國外引進的人才。2007年10月,他回國后即著手開展了LaFeAsO等鐵砷超導材料的探索合成工作。他率先發現了41K的CeFeAs(O,F)新超導體,實驗室還首次生長出了一批高品質的超導單晶樣品,推動了相關鐵基超導機理的研究。
  同時,物理所也花大力氣自己培養人才,比如任治安當時是趙忠賢組的主要成員之一,他與其他80后一起合成了一系列轉變溫度在50K以上的鐵基超導體。
  為了廣納賢才,物理所領導可謂是“煞費苦心”,已經形成了一種傳統。
  1994年開始,中科院“百人計劃”啟動。時任物理所所長楊國楨采用多種形式從海外知名科研機構、大學招才引將,為物理所打下了良好的人才基礎。2005年3月,在王恩哥擔任物理所所長期間,物理所首次在美國物理年會舉辦人才招聘答辯現場會,為他們到物理所工作開辟“直達通道”。8月,實施“國家實驗室特殊人才引進計劃”,特設立海內外聯聘教授,引進相當于海外終身教授級的高水平人才到物理所長期工作。
  目前,物理所已經有了完善的海外人才引進體系。截至2013年底,已累計擁有“千人計劃”入選者11人,“百人計劃”入選者60多人,國家“杰出青年基金”獲得者累計已達50多人。如今已擔任北大校長的王恩哥院士、上海交大校長張杰院士、清華副校長薛其坤院士等一批學術將才當年都是這里的青年才俊。
  在很多單位,海歸人才因在國外小有成就,一般回國后都會因政策傾斜更易得到經費支持和優厚待遇,而在國內土生土長的博士們卻往往“徒有羨魚情”。但在物理所則是“英雄不問出身”。在鐵基高溫超導團隊,有一位靳常青研究員,1991年獲得物理所博士學位后即留所工作,1996年就成為了物理所的課題組長,也是物理所科研人員里的中流砥柱。本次鐵基超導研究中,他在鐵基超導體1111體系和122體系之外,找到了第三種全新的以LiFeAs為代表的111體系超導體,引起了強烈的國際反響。
  慧眼識才,事業留才。正是物理所對人才的不懈追求,才成就了幾支超導團隊的“偉業”。
  國家實驗室結緣超導
  在鐵基超導的研究過程中,北京凝聚態物理國家實驗室(籌)對超導研究也起了巨大的促進作用。
  凝聚態物理是當今全球物理學界最熱門的領域之一,超導研究作為凝聚態物理領域重要方向,備受關注。1987年,物理所的科學家獨立發現了起始轉變溫度在100K以上的Y-Ba-Cu-O新型超導體,大大加速了全球高溫超導研究。為支持國內超導研究,當時的國家計委于1987年批準在物理所籌建國家超導實驗室。1991年4月,國家超導實驗室被列入國家重點實驗室管理系列,并正式面向國內外開放。2000年起,為加強我國科技創新體系建設,科技部開始籌建國家實驗室,以期在新興前沿交叉領域和具有特色和優勢的領域組織開展與國家發展密切相關的基礎性、前瞻性、戰略性科技創新活動。2003年11月25日,經科技部批準,北京凝聚態物理國家實驗室(籌)依托中科院物理所開始籌建,迄今已走過10年歷程。經過10年的建設,這個國家實驗室已經成為國際上凝聚態物理研究最重要的基地之一。
  國家通過北京凝聚態物理國家實驗室(籌)對科學家們的研究予以大力支持,這部分支持屬于真正意義的穩定支持資金。更不一般的是,他們不會追問科學家出了幾篇論文或出了幾項成果,他們不用這種方式給科學家以壓力。
  國家實驗室的管理不是項目制的管理,而是通過理事會的形式管理。理事會成員由管理部門和凝聚態物理領域15位高水平的科學家組成。國家實驗室每年都要召開理事會,國家實驗室的領導要匯報年度工作進展,與理事們探討、研究國家實驗室的未來發展方向。可以說,這一管理體制為科學家們的自由探索提供了充分的條件。
  在國家實驗室還形成了這樣一個平臺,在這里,科學家們從共同的研究興趣出發,機構與機構之間的壁壘不復存在,鐵基超導研究就是最好的例證。在這場鐵基超導研究的國際競賽中,物理所/國家實驗室與中國科技大學能夠脫穎而出,很大程度上得益于這個合作交流的平臺。國家實驗室成立以來,中國科技大學的侯建國院士就是其中一位理事,而中國科技大學的張裕恒院士和陳仙輝研究員又是超導實驗室學術委員會的委員,兩個機構之間的深入合作已成常態,這為鐵基超導研究取得突破性進展打下了良好的基礎。
  國家實驗室這一平臺還為高精尖儀器設備和研究手段提供了強大支撐,這也是國家實驗室特色所在,絕非普通研究機構一己之力所能及。
  周興江是超導實驗室主任,他曾長期在美國斯坦福大學以及美國伯克利國家實驗室工作,擅長研究尖端儀器設備。
  在回國前,周興江就曾聽說國內研究人員一般不太喜歡自己動手研制設備,因為這可能導致研制者幾年發不出論文。2004年,他回國后來到物理所,就全身心地投入到真空紫外激光角分辨光電子能譜儀的研制中。他除了依據自己在國外工作時獲得的數據發表一些論文外,在物理所搭建設備期間并沒有發表什么論文。“國家實驗室領導在方方面面始終給予我支持和幫助,也沒有用論文指標衡量我。”周興江說,甚至為了保證我們的研制項目能按時完成,在一些資金還沒到位的情況下,從國家實驗室支持的經費中先借給我們資金,盡快開展工作。可以說,這臺設備的成功研制得益于國家實驗室的支持、物理所寬松的科研環境。周興江的工作為中國科學家在鐵基超導領域的突破提供了技術保障。趙忠賢院士坦言,使用這臺儀器設備,讓我們在超導研究中看到了以前看不到的東西,提高了我們的研究水平。
  國家實驗室在10年建設期間相繼涌現出鐵基高溫超導、拓撲絕緣體等一批系統性、原創性的成果,不斷沖擊著國際科學的最前沿。
  2008年發現鐵基高溫超導體是一個足以令中國科技界自豪的經歷。如今它又戴上國家自然科學一等獎的桂冠,讓沉寂了3年的一等獎“名花有主”。不過,物理所并沒有沾沾自喜,他們又為自己確定了新的目標。王玉鵬所長說:“我們的目標是面向國家戰略需求,引領國際相關領域科學研究,凝聚更多國際頂尖人才,力爭早日建成世界一流的物質科學研究機構和尖端前沿技術的孕育基地。”

 
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