作者 | 陳歡歡
中科院上海微系統與信息技術研究所供圖
2009年5月的南京紫金山，春意正濃。
日本國家信息與通信研究機構超導電子學研究組組長王鎮像以前很多次一樣，回國參加學術會議。沒想到，兩位訪客正在等待他，並帶來了一道影響他後半生的選擇題。
不請自來的是中國科學院上海微系統與信息技術研究所（以下簡稱上海微系統所）研究員謝曉明和尤立星。
“我們要在上海建一個超導電子學研究平臺，您能不能回來？”謝曉明開門見山。
“超導電子學研究跟半導體電子學一樣，要投大錢才能搞起來，以前國內沒人做，現在中科院願意養大這個‘小娃娃’，我很感興趣！”面對這道選擇題，王鎮沒有猶豫，“我在國外工作二十多年了，現在回國還能抓緊時間再幹幾年，回！”
果然，之後幾年，上海微系統所接連承擔中科院A類、B類戰略性先導科技專項，成立中國科學院超導電子學卓越創新中心（以下簡稱超導電子學卓越中心）……從匯聚人才到承擔重大項目，再到突破體制障礙、集中力量辦大事，超導電子學這個幼小的生命正在中科院茁壯成長。
孕育誕生
超導電子學這個“小娃娃”著實不簡單。
超導是指某些物質在一定溫度條件下（一般為較低溫度）電阻降為零的性質。超導電子學是超導物理、材料科學與電子技術相結合的一門交叉學科。
超導器件具有極高靈敏度、低噪聲、寬頻帶等突出優勢，可用於半導體器件無法勝任的關鍵應用。
隨著半導體集成電路逼近物理和技術極限，速度和功耗已成為難以逾越的障礙。
誰將成為後摩爾時代的接替者？超導數字電路和量子比特電路被認為是未來最有希望的顛覆性技術。
發展這兩種技術，都離不開超導電子學。“這也是為什麼幾十年來，發達國家一直致力於發展超導電子學研究的原因。”謝曉明告訴《中國科學報》。
如果不考慮成本，超導器件和電路堪稱“完美”。但是，為了達到超導需要的低溫，則必須付出高額成本。
在謝曉明看來，這也是我國超導電子學發展落後的主要原因，“早期甚至連降溫的液氦都買不起”。
高溫超導機理被譽為凝聚態物理皇冠上的明珠，目前尚未完全破解。我國科學家趙忠賢、陳仙輝等人在高溫超導材料領域做出了世界領先的研究工作，成為國際舞臺上最活躍、最有影響力的研究力量之一。
然而在超導電子學領域，我國和國際先進水平存在較大差距，在一些關鍵領域甚至是空白。
以冶金技術起家的上海微系統所，在超導方面起步很早，我國第一根低溫超導線就是在這裡誕生的。
但是，隨著時代進步和學科發展，所領導班子意識到，研究所的主攻方向必須根據自身優勢和國家需求動態調整，不能沿慣性發展。
在不斷的自我改革和調整中，2006年，上海微系統所原所長、時任中科院副院長江綿恆拍板，將超導電子學確定為上海微系統所的主攻方向之一。
“江院長當時明確指出，中科院要立足解決國家重大需求，不一定立刻產生巨大經濟效應，未來會有重大應用的就應該投入。”謝曉明回憶說。
果不其然，經過幾年積累，2012年，上海微系統所迎來一次重要的發展機遇，牽頭承擔了中科院B類戰略性先導科技專項“超導電子器件應用基礎研究”，參與單位包括中科院紫金山天文臺、上海硅酸鹽研究所（以下簡稱上海硅酸鹽所）、中國科學技術大學（以下簡稱中國科大）等。為了協調各單位協同創新，又成立了中科院上海超導中心，王鎮擔任首席科學家，謝曉明是專項負責人和中心主任。
先導專項不僅給了各參與單位一個更大的舞臺，也讓他們感受到協同創新的力量。“放眼全國，要想打破各單位界線、集合最強的力量搞超導電子學，中科院具有得天獨厚的條件。”謝曉明說。
當時，除了高溫超導濾波器，我國基本不具備可靠的高性能超導器件自主供給能力。
而國外對我國嚴格禁運高性能超導器件，只有純基礎研究及苛刻限制條件下的超導量子干涉儀才能少量進入國內。
“聯合起來幹大事，在國際上佔有一席之地”，成為大家共同的心聲。
在中科院籌備試點建設一批卓越創新中心之際，幾家單位一拍即合。
2015年10月23日，由上海微系統所牽頭，上海硅酸鹽所、中國科大、上海科技大學等多家共建的中國科學院超導電子學卓越創新中心正式獲批。謝曉明和王鎮再次聯手，分別擔任主任和首席科學家。
為發展超導電子學前沿學科，滿足國家對超導電子技術的戰略需求，超導電子學卓越中心打破研究所圍牆，把全院超導電子學相關的頂層力量全部匯入這一協同創新的全新體制中。
圍繞中科院“三個面向”“四個率先”辦院方針及上海市建設具有全球影響力的科技創新中心目標，聚焦物理前沿交叉、先進材料和信息等重大創新領域，旨在建成具有“全球視野、國際標準”的超導電子學研究機構。
“做科學家尤其是應用學科的科學家，必須把自己的研究與國家的戰略需要聯繫起來，通盤去想，布大局、做大事。”時任上海微系統所所長、中國科學院院士王曦如是說。
中科院超導電子學卓越創新中心集體合影
志存高遠
集結了中科院最強的力量搞改革，就必須有開創性的舉措、產出重大成果、帶來實實在在的成效。
自成立起，超導電子學卓越中心就瞄準具有國家重大需求的硬骨頭——超導傳感器、探測器、量子比特和數字電路。
超導數字電路有望同時跨越速度和功耗兩項半導體電路的物理瓶頸，是國際上後摩爾時代的重要備選方案，我國仍處於空白狀態；超導量子比特可指數級提高計算能力，成為發達國家和國際大公司——IBM、谷歌公司、阿里巴巴網絡技術有限公司等競相爭奪的顛覆性技術高地；超導傳感器和探測器可以將電磁等信號探測能力提升至量子極限，支撐國家重大需求，我國同國外差距明顯。
“如果在關鍵技術上無法實現自主化，未來談基於超導的系統優勢無疑是空中樓閣。”謝曉明說。
為此，超導電子學卓越中心決定聚焦量子材料與物理、超導器件與電路基礎研究和前沿應用探索，全面發展我國超導電子學學科。
未來目標則是新材料、器件物理和核心器件研究產生學術影響，實現自主可控，取得重大應用示範。
從零開始建造超導電子學的“大廈”，超導電子學卓越中心不乏勇氣，亦探索出一套獨具特色的組織運行模式。
“多數卓越創新中心以基礎研究為主，我們的特點是既有基礎又強調應用，跟應用接口很近，打造材料—器件—應用一體化的創新生態環境。”謝曉明說。
目前，超導電子學卓越中心設置材料與物理、器件與電路、應用探索3個研究部，分別由陳仙輝、王鎮、謝曉明擔任學術帶頭人。
謝曉明認為，3個研究方向相互關聯：新材料一旦突破便可以為整個超導電子學帶來顛覆性變革，器件和電路研發的最終目標是走向應用，應用反過來對器件提出技術要求，最終形成良性循環。
從材料到應用的鏈條非常長，卓越創新中心在選擇合作伙伴時也必“精挑細選”。
中國科學院院士、中國科大教授陳仙輝介紹，我國70%以上的“卡脖子”技術與材料相關，國內超導研究雖然力量強大，應用研究卻較為薄弱，缺乏整體佈局；而超導電子學卓越中心的超導電子學相關應用研究代表了我國的最高水平，就必須承擔起解決“卡脖子”技術難題的責任。
在超導材料和機理研究上，陳仙輝做出過世界級研究成果，曾經獲得國際超導材料領域最高獎馬蒂亞斯獎和國家自然科學獎一等獎。
進入超導電子學卓越中心後，他坦言最大的改變是思想觀念的改變。
“以前我只做基礎研究，現在發現應用基礎研究很重要並且不容易，我也在不斷調整自己，希望能夠發現新的超導材料，未來應用於器件。”他說。
工欲善其事，必先利其器。依託高端器件研發平臺，輔以先進材料與物理研究手段，上海超導中心的超導電子學器件工藝平臺是目前全國唯一一條大規模集成工藝線，成為超導電子學卓越中心不可替代的核心競爭力之一。
上海微系統所超導實驗室主任尤立星認為，該平臺將扭轉中國超導電子學幾十年來難以發展壯大的局面。“這裡有最好的平臺、能出成果，這才是未來發展的關鍵，所以我們的團隊也比較穩定。”
在明確科學目標的牽引下，在高性能平臺的吸引下，超導電子學卓越中心不斷“擴容”。2018年，中科院物理研究所和理化技術研究所分別有團隊相繼加入。
王鎮表示，儘管美國日本發展了幾十年，但其先進的研究機構只專攻一個方向和細分領域，卓越創新中心卻能發揮中科院的長處，把超導電子學所有研究方向集中起來，實現不同技術間的互聯互通。
“從超導電子學學科佈局來說，超導電子學卓越中心是國際數一數二的。”王鎮自信地說。
超導單光子探測系統內部照片
朝氣蓬勃
2008年，在美國一家小型高科技公司擔任工程師的任潔在芝加哥舉行的一次國際會議上見到了尤立星，這讓她很意外。
“那是我第一次知道國內有人有興趣做超導集成電路，中國之前的名聲都是在超導材料上。”任潔回憶說。
彼時，尤立星剛剛離開美國國家標準與技術研究所，來到上海微系統所任職。科研之外，協助謝曉明“找人”成為他的一項重要任務。
2015年9月，超導電子學卓越中心正式獲批前夕，任潔全職回國，快速建立起一支隊伍投入超導集成電路研發。這讓謝曉明大大鬆了一口氣。
此前，我國在超導集成電路研究方面幾乎沒有任何經驗，而任潔從研究生開始就一直從事相關研發，具有十多年經驗。
之後兩三年，通過人才引進通道，超導電子學卓越中心陸續引進五六名青年人才。
考慮到工作任務重、壓力大的特點，上海微系統所設立了“管理特區”，在人員考核、薪酬、招聘、人才計劃及科研用房等諸多方面給予資源配置，有針對性地支持青年骨幹人才成長。
研究超導量子計算的林志榮研究員在回國前已經申請了設備購置，因此，他正式回國後僅半年時間就將實驗室搭建起來。
他說：“超導電子學卓越中心給我最大的感受是朝氣蓬勃的氛圍。”
從多領域空白到全鏈條覆蓋，超導電子學卓越中心對人才的需求是全方位的，對人才的培育也採取了分層級、分類別、分階段的“網格式”方法，人盡其用。
例如，依託國際聯合實驗室、外聘客座教授等平臺，為青年骨幹提供出國深造和交流的機會；依託超導電子學工藝平臺，引進和培養技術支撐人員；重視初中級青年人才和博士後培養，對優秀博士後試行“超級博士後”協議年薪制。
在國際合作方面，從2006年起，德國於利希研究中心教授張懿就在上海微系統所擔任兼職教授，幫助研究所從零起步發展超導傳感器。
如今，他每年有6個月時間待在上海的實驗室。雙方多次聯合舉辦中德合作研討會，聯合培養25名博士研究生，還成立了功能材料與電子器件虛擬聯合研究所。
現在，超導電子學卓越中心建立起79人的隊伍。其中，高級職稱人員佔73%，30~40歲的青年人才佔比超過一半。
從國際舞臺上的陌生面孔，到全世界幾乎規模最大的超導電子學團隊，這條路走了10年。
為了保證這支隊伍走得更快、更遠，超導電子學卓越中心在管理結構上設立“一軸兩翼”的框架——“一軸”為技術核心軸，“兩翼”分別為行政管理支撐翼及技術服務支撐翼，小到填表報銷、燈管維修，大到野外後勤保障、增量資源爭取等，為科學家提供全方位的支撐服務。
上海微系統所副研究員榮亮亮對此體會頗深。
他所在團隊自主研發的超導探測器可進行高精度探礦，靈敏度比傳統方法高3個數量級，就像給近視眼的人配上了眼鏡。
但探礦工作往往都在偏遠野外開展，塔吉克斯坦的一次經歷就令榮亮亮記憶猶新。當時由於強烈的高原反應，許多隊員達到第一週都不得不臥床休息，最終靠吃止疼藥堅持完成了為期兩個月的探礦實驗。
跟著技術團隊一起出野外的，還有中科院超導實驗室行政副主任、黨支部書記張為帶領的一支行政支撐團隊。
他們承擔了後勤保障、安全保衛、設備運輸、直升機租賃、液氦供給、野外衣食住行等系列事務性工作，與科研人員一起克服風餐露宿、蚊蟲叮咬的艱苦野外條件。
“超導團隊是我們所的驕傲。”張為說，“我們的任務就是儘量給科研人員減負，解決他們的後顧之憂。要堅持做好定人心、暖人心、聚人心的工作。”
在微電子行業，如果選擇去企業工作，待遇誘人，很多年輕人卻願意留在超導電子學卓越中心，堅守科研崗位。
除了事業平臺，這種全方位的人才支撐服務工作，也使得中心成為能招來人、也能留下人的地方。
超導電子學器件工藝平臺
茁壯成長
從兩三個人的團隊到多單位協同創新，從小規模研究到承擔先導專項，從單元器件到集成電路……在探索超導電子學的道路上，由於沒有經驗積累，超導電子學卓越中心一直是摸著石頭過河。
執行B類先導專項時開展的實質性合作，為後來超導電子學卓越中心的科研工作打下了堅實基礎，令中心學術帶頭人印象深刻。
“上海和合肥在地理位置上很近，交通也方便，我有研究生在上海微系統所做研究，所裡也有學生在我實驗室工作，我們之間交流一直很多。”陳仙輝說。
為了推動所校合作，上海微系統所和中國科大物理學院共同建設了“吳自良超導英才班”，與上海科技大學物質學院聯合成立“量子電子學聯合實驗室”，為培養和儲備優秀人才打下基礎。
處於同一個園區內的上海硅酸鹽所更是上海微系統所的“老夥伴”，雙方定期召開聯合組會，共同開展超導新材料探索，還實現了兩個團隊間的高效設備共享。
高效的合作給超導電子學卓越中心帶來了豐碩成果。
在材料方面，陳仙輝研究組與上海硅酸鹽所黃富強研究組聯合，先後發現新型LiFeOHFeSe等FeSe基及FeS化合物等多種超導材料，成功發明固態離子導體場效應晶體管，實現了對高溫超導電性的調控。
在器件方面，上海微系統所和中國科大的合作堪稱典範。雙方從最初兩個研究小組間的合作，發展到“超導電子器件應用基礎研究”與“量子系統的相干控制”兩個中科院B類先導專項的合作，並於2015年10月上升至“超導電子學卓越創新中心”與“量子信息與量子科技前沿卓越創新中心”兩個卓越創新中心間的合作。
雙方還聯合成立“超導量子器件與量子信息聯合實驗室”，歷經十年，精誠合作，將自主研發的高性能超導納米線單光子探測器成功應用於量子信息，多次創造量子信息應用的世界紀錄。
在應用探索方面，謝曉明研究組自主研發了多通道無屏蔽心磁圖儀並實現技術轉化，取得二類醫療產品註冊證；與吉林大學合作研發地球物理探測超導瞬變電磁接收機，和公司合作在我國河南、雲南和塔吉克斯坦等地成功開展應用驗證實驗；參與中科院地質與地球物理研究所牽頭承擔的重大科研儀器研製項目；聯合中科院多家單位成功研製出中國第一套、世界第二套航空超導全張量磁梯度測量系統。
謝曉明認為，學科交叉融合是科技創新的重要趨勢之一，面向未來，超導電子學卓越中心將用好這個“重大任務的載體”，依託創新管理機制，繼續推進體制改革，組織協同各單位優勢力量，共同實施跨學科、跨領域的重大科技任務和技術攻關，努力實現從跟蹤到自主創新的跨越，發展成為具有全球影響力的超導電子學研究中心。
2018年2月，中科院A類先導專項啟動實施。超導電子學卓越中心迎來新一輪挑戰。
謝曉明表示：“從上世紀五六十年代至今，超導研究經歷了多次高潮和低谷。我們能做的是做好技術儲備，讓超導夢早日實現。”
在陳仙輝看來，協同創新是解決超導電子學“卡脖子”技術的必經之路，但我國目前只是站在了漫漫長路的起點上。
“這些年通過超導電子學卓越中心的積累，我們打下了很好的基礎，但還要在基礎研究、技術發展和人才資源上繼續積累，潛心研究，戒驕戒躁，堅持到底！”
王鎮則認為，讓超導電子學這個新生命茁壯成長，除了能力，還需恆心。
超導電子學在國際上目前仍未形成經濟效益，很容易半途夭折。這也是發達國家玩得起而我國長期落後的原因之一。
“我們已經在這個‘孩子’身上投入10年時間，希望能看到他長大成人。”他說。
《中國科學報》 (2019-08-02 第4版 紀實)
閱讀更多 中國科學報 的文章
