圖為“費米面”與半滿水瓶中的水表面對比。中青報·中青網記者 王燁捷/攝

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圖為賈金鋒院士在實驗室工作。受訪者供圖

近日，上海交通大學賈金鋒、鄭浩團隊的“實驗證實超導態‘分段費米面’”科研成果入選2022年度“中國科學十大進展”。這項聽起來晦澀難懂的成果，是基礎科研領域一項重大進展。

中國科學院院士、上海交通大學物理與天文學院教授賈金鋒介紹，團隊2012年制備出了“拓撲絕緣體/超導體異質結”，證明了該體系為拓撲超導，并在其中觀察到了人們長期追求的馬約拉納零能模。這次的成果是在該體系中發現的新現象，是對該體系持續不斷研究的一種回報。

研究團隊在超導材料中實驗并證明了“分段費米面”的存在，這種碎片化的費米面，能使得原本只能“零電阻雙向導電”的超導材料具備“零電阻單向導電”的特性，這種超導材料有望被用來制作“超導二極管”，并應用于科學界遐想已久的“超導計算機”。

令人無限遐想的“超導計算機”

在不少人看來，“超導計算機”是最令人遐想的一件好東西。計算機從最早使用真空二極管到后來使用半導體二極管，經歷了兩次大革命。但如果能用超級擅長導電但又不發熱的超導體來給計算機導電，那“發熱”的問題就能迎刃而解。

人們日常使用的手機、電腦，用得時間長了就會產生發熱的問題。這種發熱，不僅會使得電器設備容易產生故障、減損使用壽命，還會浪費電。之所以會產生這種發熱，主要是因為手機、電腦等使用的普通導體有電阻，因此在導電的同時會發熱。曾有科學家把一個生雞蛋敲碎了放在一臺大型電腦的CPU主機板上做實驗，這種因普通導體帶來的“發熱”甚至可以把雞蛋煎熟變成荷包蛋。

“發熱”在計算機領域著實是件麻煩事：普通家用的計算機裝個小風機能勉強解決一些問題。但到了大型超級計算機那里，發熱就成了大問題。為了節能，世界各國都把大型計算機數據中心建在天氣涼爽的地方，比如我國就采取了“東數西算”的辦法，把大型計算機中心都放在西部，因為那里夏天氣溫低。不僅在計算機領域，高壓輸電線供電領域，也同樣適用。我國現在用的高壓輸電線都是普通導體，電從發電廠傳輸到個人用戶家里的過程中，一部分電能因為導線發熱被浪費掉了，如果換成超導輸電，能夠節省大量的能源。

超導現象在1911年被發現，科學家發現，超導體不僅可以做到“零電阻導電”，還不會產生一丁點的熱量。好幾代物理學家前赴后繼地針對超導體進行研究，產生了大量的重要學術成果，這些針對超導體的研究僅諾貝爾獎就得過5次之多。

也因此，“超導計算機”成為科學界研究的一個高地，也是各國物理學家的“必爭之地”。不過制備超導計算機，一個不確定的因素是——能否把“零電阻雙向導電”的超導材料，變成“零電阻單向導電”？如果不能，那對它的一切遐想和努力，基本都會付諸東流。

超導體中能否產生“費米面”

1965年，德國物理學家Peter Fulde曾做過一個理論語言：如果讓超導體中的庫伯對動起來，增加其動量，就能導致庫伯對破裂，進而在超導體中產生出一種特殊的“分段費米面”。這種費米面，能使得超導體實現“單向零電阻導電”。

然而，這僅僅是一個理論預言，58年來從未有實驗驗證過它的可能性。盡管科學家早已認識到這種猜測的重要性，但沒人能證實它的準確性。

“費米面”是凝聚態物理學中的一個專用詞，它是倒易空間中的表面，在零攝氏度下將占據電子態與未占據電子態分開。形象地說，它就像是裝在礦泉水瓶中的水的那一層“表面”。普通導體，都具有費米面。而超導體雖然零電阻導電，但卻沒有費米面。因為超導體中承擔導電任務的不是單個電子，而是兩個電子組成的庫伯對。

Peter Fulde預言的超導體中的“分段費米面”，其實就是一種碎片化的費米面，不如普通導體中的費米面完整，卻能帶給超導體珍貴的“單向零電阻導電”特性。實現“分段費米面”在實驗上十分困難，雖然一直有人嘗試，但未能取得突破。

賈金鋒、鄭浩團隊與麻省理工學院傅亮團隊合作，設計制備了拓撲絕緣體/超導體（Bi2Te3/NbSe2）異質結體系，借助超導近鄰效應在Bi2Te3中誘導出超導，得益于Bi2Te3拓撲表面態的費米速度極高的獨特優勢，只需要很小的庫伯對速度，就實現并觀察到了預言中的“分段費米面”。

他們的研究表明，擁有“分段費米面”的超導體，可以實現正向零電阻導電，反向非零電阻導電的獨特現象（約瑟夫森二極管效應），可以用來構建超導計算機，實現無能耗的高效計算。另外，還可以為有限動量超導、庫伯對密度波等很多具有重要物理學理論研究價值的課題，提供關鍵的研究載體。

把“異想天開”變成“可能”需要時間

賈金鋒告訴記者，這項成果的誕生，與上海交大多年來對基礎科研工作長期、穩定的支持分不開，“我從進入上海交大工作開始，就一直在做這個體系的研究，我帶的學生亦是如此。如果沒有學校長期、穩定的支持，我們做不到這些。”

基礎研究是科技創新源頭，在推動國民經濟發展、解決“卡脖子”問題，在國際競爭中爭取話語權等方面發揮了重要作用。中青報·中青網記者注意到，包括物理學科等在內的基礎研究領域，上海交大開辟了一個“基礎研究特區”。這個特區給了科學家，尤其是像鄭浩這樣的青年科學家充足的時間“折騰”。

這里的“基礎研究特區”，有實實在在的經費和評價制度來支撐。

上海交大科研院院長曾小勤介紹，基礎研究特區的專項經費有2億元，其中1億元來自上海交大，1億元來自上海市科委的支持。這項計劃把科學家們的研究分為A、B、C三大類。其中A、B類為國家級重大基礎科研項目，資助經費為500萬元以上；C類為青年探索基金，鼓勵35歲以下青年教師做一些有可能不產出成果、但意義重大的“高風險項目”，資助經費為50萬元。

至于一個項目是否值得學校對其進行“投資”，則由該領域院士作為“項目專員”，邀請國內外同行專家進行評議。“考慮到學者們不擅長申報、匯報，這會占用他們很多時間，我們評審一次，就會提供長期、穩定的支持。”曾小勤介紹，以C類青年探索項目為例，申報者實際上只需要提供一份1000字左右的項目內容說明即可，“不看你寫過多少論文，主要靠同行專家、項目專員評議，看你的研究內容是否真的要解決一些基礎研究領域前沿的、有突破性的問題。”

據悉，目前上海交大的“基礎研究特區”計劃已經支持了6個B類項目和19個C類項目。“這些項目沒有中期評估，經費采取包干制。結項評價以同行評價、代表作評價為主，過程管理相對簡單。”曾小勤說。

鄭浩告訴記者，在物理研究領域，這種長期、穩定的支持尤為重要，“我們物理學家喜歡透過現象看本質，也喜歡把不可能變成可能。比如要讓超導材料擁有費米面，原本就是一個異想天開的事情。要證明它可行，需要時間。”

中青報·中青網記者 王燁捷 來源：中國青年報