超导发展遇瓶颈？老“铁”快来帮帮忙！

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　　超导是20世纪最伟大的发现之一，它的发现不仅揭示了一个新奇的微观量子世界，而且为凝聚态物理开辟了新的研究方向。

　　铁基超导体，作为继铜氧化物高温超导体发现后的第二个高温超导体家族，再一次打破了人们对传统超导的认识，为高温超导的研究打开了另外一扇大门。

　　什么是超导

　　超导现象最早是由荷兰物理学家昂内斯（Kamerlingh Onnes）于1911年研究金属汞（Hg）在低温下的电阻时发现的：当温度降至4.2K以下时，汞的电阻突然消失。这种在低温下发生的零电阻现象被称为超导，电阻消失的温度叫做超导体的超导转变温度。

　　荷兰物理学家昂内斯（图片来源：诺贝尔基金会档案）

　　金属汞的电阻温度曲线（图片来源：罗会仟，周兴江 现代物理知识, 2012.24(2): 30-39）

　　除了零电阻，超导体还有另外一个基本特性——迈斯纳效应（完全抗磁性），即当超导体处于超导态时，超导体内部的磁场为零。超导体的完全抗磁性不能由零电阻的性质推演出来，二者相互独立，同时具有这两个性质的材料才叫做超导体。

　　迈斯纳效应示意图（图片来源：维基百科）

　　1957年，由巴丁（John Bardeen）、库伯（Leon Cooper）和施里弗（John Robert Schrieffer）提出的著名的微观超导理论——BCS 理论，非常成功地解释了金属或合金超导体的物理性质。

　　微观上来说，当超导材料处于超导临界温度之下时，材料中费米面附近的电子将通过相互作用媒介而两两配对，这些电子对将同时处于稳定的低能组态。配对后的电子处于凝聚体中，打破电子对需要付出一定的能量，这个能量称为超导能隙。在外加电场驱动下，所有电子对整体能够步调一致地运动，因此超导又属于宏观量子凝聚现象。

　　超导微观理论“BCS理论”（图片来源：维基百科）

　　铁基超导体

　　自1911年第一次发现超导电性以来，超导研究始终沿着两个重要的方向发展，一是探索新的超导材料，不断提高超导转变温度，另一个则是阐明超导机理，从微观层面上解释为什么电子能够在固体材料中畅通无阻。根据BCS理论，所有的金属合金超导体临界温度存在一个40K的理论上限，即麦克米兰极限。超导电性被发现后的近七十多年里，虽然不断有新的超导体被发现，但是金属和合金等这些常规超导体的超导转变温度普遍很低，都没能超越麦克米兰极限。

　　山重水复疑无路，柳暗花明又一村。

　　1986年，瑞士科学家Bednorz和Müller公布了他们在La-Ba-Cu-O化合物中观察到起始超导转变温度为35K的结果，这一出人意料的发现开创了TC的新纪录，在全世界范围内引起了探索高温超导体的热潮。随后发现的Y-Ba-Cu-O体系中存在90K以上的临界温度，首次突破了液氮温区，远远超过了麦克米兰极限。

　　2008年，日本东京大学的细野秀雄研究小组利用F替代O，在铁砷族化合物La[O1-xFx]FeAs中发现了2K的超导转变，铁基超导体被正式宣布发现。La[O1-xFx]FeAs在高压下可以达到43K的超导转变，再一次突破了麦克米兰极限，高温超导从此打开了一条新的通路。

　　超导体的发展历程（图片来源：维基百科）

　　日本物理学家细野秀雄（图片来源：东京工业大学官网）

　　随后中国科学家用稀土元素替代和高压合成方法，发现了一系列的铁基超导体。短短两个月，铁基超导体在常压下的超导转变温度从26K提升到了56K。

　　中国科学家的努力，让铁基超导跻身成为第二大高温超导家族，在铁基超导的洪流中做出了不可磨灭的贡献。目前已经发现的铁基超导体家族，从晶体结构上可以分为：

　　（1）11体系，即FeSe(Te)，是晶体结构最简单的铁基超导体。值得一提的是，利用分子束外延生长的FeSe/SrTiO3薄膜，超导转变温度超过65K，受到了广泛的关注。

　　（2）111体系，即AFeAs(A为Li、Na等)，LiFeAs的超导转变温度可以达到18K。

　　（3）122体系，即AeFe2As2（Ae为碱土金属元素，如Ba、Sr、Ca等）。由于高质量、大尺寸、不同掺杂浓度的122 体系超导单晶比较容易获得，因此122 体系是目前实验（ARPES、STM、Neutron Scattering）研究最多的铁基超导体之一。

　　（4）1111体系，即LnOFeAs（Ln为稀土元素，如La、Ce、Pr、Nd、Sm等）。赵忠贤院士领导的研究小组在利用高压合成技术合成Sm[O1-xFx]FeAs中获得了55K的超导转变温度，目前保持着铁基超导体块材的最高记录。

　　（5）其它体系，如基于11 体系插层形成的AxFe2−ySe2（A=K、Rb、Cs、Ti等），Aen+1MnOyFe2As2，Aen+2MnOyFe2As2［Ae=Ca、Sr、Ba，M=Sc、V、(Ti, Al)、(Ti, Mg)、(Sc, Mg)］等。

　　铁基超导体的晶体结构（图片来源：Chen,X.H. et al., Nature2008;453:761–2.）

　　铁基超导体打破了铁元素不利于超导的传统认识，推动了多轨道关联电子系统的研究和发展。与铜氧化物一样，铁基高温超导体研究蕴含着丰富的物理内涵。此外，铁基超导体具有非常高的超导临界磁场，制作工艺比较简单，有希望用于制备新一代超强超导磁体，有着很好的应用前景。

　　作为继铜氧化物高温超导体之后的第二大高温超导家族，铁基超导体的发现开辟了另外一条研究高温超导机理的道路，人们普遍相信距离建立高温超导微观理论已不远。超导研究继续充满着惊奇、机遇和挑战。期待在不远的将来，室温超导的梦想可以成为现实。

　　参考文献

　　[1] H. K. Onnes, A kad van Wetenschappen (Amsterdam) 14, 818 (1911).

　　[2] J. G. Bednorz et al., Z. Phys, B 64, 189-193 (1986).

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　　[12] 罗会仟，周兴江 现代物理知识, 2012.24(2): 30-39

　　[13] 周兴江. 科学通报, 2016, 62: 745 ~ 748