金魁的實驗室在一樓拐角第一間。打開門，一臺復(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，被聘為中國科學(xué)院物理研究所（以下簡稱中科院物理所）特聘研究員，他把自己所有的人才經(jīng)費投給了面前的這臺儀器。對于他即將開展的工作來說，從國外定制的這臺儀器是核心之一。
他很清楚通過這臺儀器想要解決的科學(xué)問題——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)實情況，能否在5年—10年內(nèi)實現(xiàn)目標(biāo)？對此，金魁心里還是有些忐忑。
今年2月17日，金魁帶領(lǐng)團隊在這臺儀器上開發(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”——兩位國際審稿人不約而同地給出了這一高度評價。
讓美國導(dǎo)師搖頭的想法
他在國內(nèi)實現(xiàn)
高溫超導(dǎo)研究已有110多年歷史了，至今仍是物理學(xué)界最重要的前沿問題和最難攻克的科學(xué)問題之一。其中，高溫超導(dǎo)的機理是未解的跨世紀(jì)謎題，解決這個難題的關(guān)鍵是找出重要物理量之間的關(guān)系，并定量化表達。而找到一個重要規(guī)律，往往需要幾年甚至幾十年時間，也面臨著實驗精度的重大挑戰(zhàn)。
2011年，美國提出了“材料基因組計劃”，意在通過使用計算能力、數(shù)據(jù)管理和新的綜合性實驗方法，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，金魁在美國馬里蘭大學(xué)從事博士后研究，跟隨兩位導(dǎo)師分別開展高溫超導(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)師們分享這個想法時，導(dǎo)師們搖搖頭，覺得非常難。
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)國家重點實驗室。他說：“回到超導(dǎo)實驗室，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)的是原子級別的元素，調(diào)試的精度是千分之一甚至萬分之一，要在每一次調(diào)試配比時捕捉其變化過程，最終找到定量的數(shù)值。更難的是，要保證變化過程中原子排列整齊有序。
可靠的統(tǒng)計物理規(guī)律需要更多可靠的實驗數(shù)據(jù)，而傳統(tǒng)的研究手段需要數(shù)年時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。美國一個團隊在2016年描述了超導(dǎo)的另一個定量規(guī)律，用了12年、2000多個樣品。
“傳統(tǒng)的‘試錯型’實驗方法效率低，很難進一步實現(xiàn)從定性到定量的認識。”金魁說。
因此，回國之后的前5年，金魁和同事帶著研究生把大多數(shù)時間都花在了技術(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)”，并將物性識別率提升了兩個數(shù)量級。
走通了流程，接下來就是快速獲取高質(zhì)量數(shù)據(jù)。在金魁看來，這是量變引起質(zhì)變的一個過程，即通過大量可靠的實驗數(shù)據(jù)找到統(tǒng)計物理規(guī)律。
金魁團隊在這條交叉創(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，實現(xiàn)了高溫超導(dǎo)定量化認識道路上的一個重要突破。
國外拒售的高端設(shè)備
他們自主研發(fā)更強版本
回國后，在尋找規(guī)律、開展理論研究的同時，金魁還在干著另一件事——研制設(shè)備，并帶領(lǐng)團隊走出了一條獨特的高溫超導(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，對包括超導(dǎo)材料在內(nèi)的多個前沿領(lǐng)域研究具有重要意義。
過去30多年里，在以中國科學(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)研究在中國扎根。“我國雖然位列世界超導(dǎo)研究的前排梯隊，但實驗室中的高精尖制膜設(shè)備卻嚴(yán)重依賴進口，尤其是發(fā)達國家在關(guān)鍵核心技術(shù)和設(shè)備上對我國實施禁運封鎖，導(dǎo)致我國高質(zhì)量應(yīng)用型‘薄膜’和‘制膜精尖設(shè)備’受到掣肘。”金魁說。
一開始，由于相關(guān)技術(shù)在我國還未有成熟先例，金魁團隊先從國外購買了一套先進的激光鍍膜設(shè)備，做出的高溫超導(dǎo)薄膜尺寸小，只夠科研用。事實上，2月17日發(fā)表、被《自然》審稿人評為“絕技”的成果，就來自于文章開頭提到的從國外定制改造的儀器。
國外公司拒絕出售大尺寸薄膜制備設(shè)備。“更重要的是，國外設(shè)備只能實現(xiàn)單面薄膜制備，無法滿足團隊需求。”金魁說。
于是，自主研制科研和應(yīng)用所需的高端設(shè)備勢在必行。在中科院儀器研制項目的資助下，金魁與團隊骨干、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隊合作，對設(shè)備進行了反復(fù)的設(shè)計優(yōu)化和改進。研發(fā)歷時5年多，僅圖紙設(shè)計就多達40多個版本，最終完成了全面的性能指標(biāo)測試。
該設(shè)備采用的關(guān)鍵技術(shù)為研發(fā)團隊首次提出，核心部件均為自主研發(fā)。這臺儀器一面有著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)家通過操作，讓原子面貌及其特性關(guān)系在“兩極”之間顯露無遺，精準(zhǔn)且穩(wěn)定。
它是當(dāng)前國際上最先進的第四代高通量制備與原位電子態(tài)表征實驗設(shè)備，具備多項獨特優(yōu)點，稱其為“將成為材料基因研究的重要工具”。
未來，在這臺自主研發(fā)的機器上，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驗室建成了一支10人左右的“實用超導(dǎo)薄膜”研究團隊。
“在松山湖，我們不需要考慮發(fā)文章，能真正專注、全力以赴地解決應(yīng)用難題。”金魁說。
2021年年初，他們通過技術(shù)集成創(chuàng)新，成功研制出基于國產(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，為我國高品質(zhì)、應(yīng)用型超導(dǎo)薄膜產(chǎn)品制備技術(shù)帶來新突破。
“我們用了近8年時間，走出了一條從定制到設(shè)計，再到核心部件國產(chǎn)化，最后整機國產(chǎn)、尖端化、實用化的技術(shù)路線，解決了大面積鍍膜設(shè)備‘卡脖子’問題。”金魁說。
不是天賦型選手
更愿帶領(lǐng)團隊“探險”
金魁一直認為，取得這些成果不是靠他一個人，而是依靠背后整個團隊的力量，尤其是一批優(yōu)秀的學(xué)生。
他管理團隊有妙招。在團隊里，金魁把“硬骨頭”作為科研主線，同時，將超導(dǎo)領(lǐng)域其他物理問題和應(yīng)用基礎(chǔ)問題作為科研“復(fù)線”，由“復(fù)線”支撐，保證實驗室的正常運行和持續(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，金魁就發(fā)現(xiàn)馮中沛擅長做超導(dǎo)薄膜和儀器研發(fā)，但不擅長寫論文。因此，在“實用超導(dǎo)薄膜”研究團隊組建之時，金魁就建議馮中沛到松山湖實驗室跟隨趙忠賢進行博士后研究，開展應(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)計和搭建者。
金魁時常告訴學(xué)生，一定要與不同的團隊多交流，把自己以前所學(xué)的知識帶到一個新團隊，跟他們的方向交叉融合，然后找到適合的方向。
“不管哪個學(xué)生，只要需要，我會幫他們聯(lián)系所內(nèi)外老師，甚至國外團隊。我鼓勵我的學(xué)生去跟外面的人交流，幫他們創(chuàng)造條件。”金魁說。
從金魁研究組出去的學(xué)生很出色，他們因知識扎實、技術(shù)過硬、特色鮮明而被贊譽。
作為一名青年科學(xué)家，金魁曾被人問到，是愿意做科研工作的探險者、導(dǎo)游還是游客。
“我不是天賦型選手，但想做個探險者。”金魁說，“前路更需堅定、專注，需要足夠耐心。”
