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铁基超导体材料


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吕鸿燕 14 园林本 2 1407220221

铁基超导体材料
以赵忠贤、陈仙辉、王楠林、闻海虎、方忠为代表的中国科学院物理研究所 和中国科学技术大学研究团队因为在“40K 以上铁基高温超导体的发现及若干基 本物理性质研究”方面的突出贡献获得了国家自然科学一等奖。之前,这一奖项 已经连续 3 年空缺。 超导,全称超导电性,是 20 世纪最伟大的科学发现之一,指的是某些材 料在温度降低到某一临界温度,或超导转变温度以下时,电阻突然消失的现象。 具备这种特性的材料称为超导体。 超导是物理世界中最奇妙的现象之一。正常情况下,电子在金属中运动时, 会因为金属晶格的不完整性 (如缺陷或杂质等) 而发生弹跳损耗能量, 即有电阻。 而超导状态下,电子能毫无羁绊地前行。这是因为当低于某个特定温度时,电子 即成对, 这时金属要想阻碍电子运动, 就需要先拆散电子对, 而低于某个温度时, 能量就会不足以拆散电子对,因此电子对就能流畅运动。 通常的低温超导材料中, 电子是通过晶格各结点上的正离子振动而结合在一 起的。 但大多数的物理学家都认为,这一电子对结合机制并不能解释临界温度最 高可达 138 开尔文(零下 135.15℃)的铜基材料超导现象。每一种铜基超导材 料都是由层状的“铜-氧”面组成,其中的电子是如何成对的,仍是未解难题。 在超导研究的历史上,已经有 10 人获得了 5 次诺贝尔奖,其科学重要性不 言而喻。 目前, 超导的机理以及全新超导体的探索是物理学界最重要的前沿问题 之一。 它仿佛是镶嵌在山巅的一颗璀璨明珠,吸引着全世界无数的物理学家甘愿 为之攀登终生。同时,超导在科学研究、信息通讯、工业加工、能源存储、交通 运输、 生物医学乃至航空航天等领域均有重大的应用前景, 受到人们的广泛关注。 继铜基超导材料之后, 日本和中国科学家最近相继报告发现了一类新的高温 超导材料——铁基超导材料。美国《科学》杂志网站报道说,物理学界认为这是 高温超导研究领域的一个“重大进展”。 高温超导是指材料在某个相对较高的临界温度,电阻突降至零。1986 年, 科学家发现了第一种高温超导材料——镧钡铜氧化物。自那以后,铜基超导材料 成为全世界物理学家的研究热点。

然而直至今日, 对于铜基超导材料的高温超导机制,物理学界仍未形成一致 看法, 这也使得高温超导成为当今凝聚态物理学中最大的谜团之一。因此很多科 学家都希望在铜基超导材料以外再找到新的高温超导材料, 从而能够使高温超导 机制更加明朗。 就在 2008 年 2 月,日本科学家首先报告说,氟掺杂镧氧铁砷化合物在临界 温度 26 开尔文(零下 247.15℃)时,即具有超导特性。3 月 25 日,中国科技大 学陈仙辉领导的科研小组又报告,氟掺杂钐氧铁砷化合物在临界温度 43 开尔文 (零下 230.15℃)时也变成超导体。 3 月 28 日,中国科学院物理研究所赵忠贤领导的科研小组报告,氟掺杂镨 氧铁砷化合物的高温超导临界温度可达 52 开尔文(零下 221.15℃)。4 月 13 日该科研小组又有新发现:氟掺杂钐氧铁砷化合物假如在压力环境下产生作用, 其超导临界温度可进一步提升至 55 开尔文(零下 218.15℃)。此外,中科院物 理所闻海虎领导的科研小组还报告,锶掺杂镧氧铁砷化合物的超导临界温度为 25 开尔文(零下 248.15℃)。 由于最早发现的铁基超导样品转变温度只有 26K,低于麦克米兰极限,当时 的国际物理学界对铁基超导体是不是高温超导体举棋不定。 中科大陈仙辉研究组 和物理所王楠林研究组同时独立在掺 F 的 SmOFeAs 和 CeOFeAs 中观测到了 43K 和 41K 的超导转变温度, 突破了麦克米兰极限,从而证明了铁基超导体是高温超 导体。这一发现在国际上引起了极大的轰动,标志着经过 20 多年的不懈探索, 人类发现了新一类的高温超导体。 为了进行更加系统和深入的研究, 必须合成一系列的铁基超导材料才能提供 全面、 细致的信息。 物理所的赵忠贤组利用高压合成技术高效地制备了一大批不 同元素构成的铁基超导材料, 转变温度很多都是 50K 以上的,创造了 55K 的铁基 超导体转变温度纪录并制作了相图, 被国际物理学界公认为铁基高温超导家族基 本确立的标志。 中科大陈仙辉组在突破麦克米兰极限后, 又对电子相图和同位素效应进行了 深入研究, 发现在相图区间存在超导与磁性共存和超导电性具有大的铁同位素效 应, 这些现象后来都被证明是大多数铁基超导体的普适行为,对理解铁基超导体

的超导机理提供了重要的实验线索。另外,陈仙辉组发展了自助溶剂方法,生长 出高质量的单晶,为后续的物性研究奠定了基础。 物理所王楠林组从实验数据出发, 猜测 LaOFeAs 在低温时有自旋密度波或电 荷密度波的不稳定性, 超导与其竞争。闻海虎小组合成了首个空穴型为主的铁基 超导体。方忠与实验工作者深入合作,进一步加强了有关物性研究。方忠及其合 作者计算了 LaOFeAs 的磁性,并且得到了和猜测一致的不稳定性,做出了“条纹 反铁磁序自旋密度波不稳定性与超导竞争”的判断。这一预言随后被国外同行的 中子散射实验证实。 在当前的铁基超导机理研究中,自旋密度波不稳定性同超导 的关系已经成为最主流的方向。 截至 2013 年 1 月 4 日,铁基超导体的 8 篇代表性论文 SCI 共他引 3801 次, 20 篇主要论文共 SCI 他引 5145 次。相关成果在国际学术界引起强烈反响,被 Science、 Nature、 Physics Today、Physics World 等国际知名学术刊物专门 评述或作为亮点跟踪报道。著名理论物理学家,美国佛罗里达大学 Peter Hirschfeld 教授说:“一个或许本不该让我惊讶的事实就是,居然有如此多的 高质量文章来自北京,他们确确实实已进入了这个(凝聚态物理强国)行列”; 美国斯坦福大学 Steven Kivelson 教授说:“让人震惊的不仅是这些成果出自中 国,重要的是它们并非出自美国。” 也许大多数人还没有察觉到,其实超导已经或多或少地走进了人们的生活。 近年来, 国内外相继研制成功了多种超导材料和超导应用器件,超导正在为人类 的工作、 学习和生活提供着便利。 如高温超导滤波器已被应用于手机和卫星通讯, 明显改善了通信信号和能量损耗;世界上各医院使用的磁共振成像仪器(MRI) 中的磁体基本上都是由超导材料制成的;使用的超导量子干涉器件(SQUID)装备 在医疗设备上使用, 大大加强了对人体心脑探测检查的精确度和灵敏度;世界上 首个示范性超导变电站也已在我国投入电网使用,它具备体积小、效率高、无污 染等优点,是未来变电站发展的趋势。 这些超导应用,在 1911 年荷兰物理学家 Onnes 发现超导的时候,人类绝对 没有预测到它今天的应用。 超导在未来可能给人类生活带来多大的变化,也将大 大超乎我们今天的预期。若能发现室温超导体,人类生存所面临的能源、环境、 交通等问题将迎刃而解。


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