鐵基超導

現有的鐵基超導體從結構上可分為四類：（1111）、（122）、（111） 和 (11)。 ^[1] 

“1111”體系 成員包括LnOFePn(Ln=La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Tb, Dy, Ho, Y; Pn=P, As)以及DvFeAsF (Dv = Ca, Sr)等;

“122”體系 成員包括AFe₂As₂ (A = Ba, Sr, K, Cs, Ca, Eu)等;

“111”體系 成員包括AfeAs (A = Li, Na)等;

“11”體系 成員包括FeSe(Te)等.

2006年日本東京工業大學細野秀雄教授的團隊發現第一個以鐵為超導主體的化合物LaFeOP ，打破以往普遍認定鐵元素不利形成超導迷思。根據BCS理論，產生超導性的必要條件是材料中的電子必須配對，這樣配對的電子稱為庫柏對。庫柏對中的兩個電子自旋相反，所以總自旋為零，因而科學家認為超導性與鐵磁性可能無法共存，材料中如果加入磁性元素（如鐵、鎳）會大大降低超導性。鐵基超導體雖然含有鐵元素且是產生超導的主體，但是鐵和其他元素（如砷、硒）形成鐵基平面後，已不再具有鐵磁性。2008年二月初，細野秀雄教授的團隊再度發表鐵基層狀材料La[O_1-xF_x]FeAs（x = 0.05 – 0.12）在絕對温度26K時存在超導性。2008年3月28日，中國科學院物理研究所趙忠賢領導的科研小組報告，氟摻雜鐠氧鐵砷化合物的高温超導臨界温度可達52開爾文（零下221.15℃）。4月13日該科研小組又有新發現：氟摻雜釤氧鐵砷化合物假如在壓力環境下產生作用，其超導臨界温度可進一步提升至55開爾文（零下218.15℃）。此外，中科院物理所聞海虎領導的科研小組還報告，鍶摻雜鑭氧鐵砷化合物的超導臨界温度為25開爾文（零下248.15℃）。 ，從此研究鐵基超導體便在世界上形成一股熱潮。引起許多科學家的興趣的重要原因之一在於鐵基超導體的結構與高温超導的銅氧平面類似，超導性發生在鐵基平面上，屬於二維的超導材料。因此儘管鐵基超導體的臨界温度只有數十K，研究鐵基超導體可能有助於瞭解高温超導的機制。 ^[2] 

中國研製成世界首根100米量級鐵基超導長線 ：據《中國科學報》報道，日前，中科院電工研究所馬衍偉研究組成功研製出國際第一根100米量級的高性能122型鐵基超導長線，實現了鐵基超導線帶材領域的新突破。相關成果發表於《物理學C輯》。

中科院電工研究所研究員馬衍偉帶領科研團隊成功研製出世界首根100米量級鐵基超導長線。這一成果創造了鐵基超導材料從實驗室走向產業化。

鐵基超導材料在工業、醫學、國防等諸多領域具有廣闊的應用前景，如核磁共振成像儀、高場磁體、電纜、電機、儲能等，被《科學》雜誌認為是最具有發展前景的新型高温超導體之一。業內專家表示，這一成果表明我國已率先掌握了具有自主知識產權的鐵基超導長線製備技術，為其在強電領域的實用化和產業化奠定了堅實基礎。 ^[3] 

鐵基超導於北京2014年1月10日在國家自然科學一等獎連續三年空缺之後，以趙忠賢、陳仙輝、王楠林、聞海虎和方忠為代表的中國科學院物理研究所和中國科學技術大學研究團隊憑藉“40K以上鐵基高温超導體的發現及若干基本物理性質研究”，把2013年度國家自然科學一等獎收入囊中。早在1989年，物理所趙忠賢等科研人員憑藉“液氮温區氧化物超導體的發現及研究”就曾獲得國家自然科學一等獎。

鐵基超導——凝聚態物理天空中閃耀的新星

在2014年1月10日國家科學技術獎勵大會上，多年空缺的國家自然科學一等獎被鐵基超導研究團隊獲得。隨着新聞報道的鋪開，“鐵基高温超導”一詞再次被人們所關注。自2008年凝聚態物理學領域掀起鐵基高温超導研究熱潮以來，鐵基超導的科學研究已經步入第六個年頭，發表的有關鐵基超導研究論文已經數萬篇。截止到2013年2月，全世界在鐵基超導研究領域被引用數排名前20的論文中，9篇來自中國。鐵基超導至今仍然是凝聚態物理基礎研究的前沿科學之一，吸引了世界上諸多優秀科學家的目光。為什麼鐵基超導如此特別？它的發現對基礎物理研究有着什麼樣的重要影響？中國人在鐵基超導洪流中起到了什麼樣的角色？

這還得從神秘又奇特的超導體説起。1911年4月8日，荷蘭萊頓實驗室的昂尼斯等人利用他們剛剛液化的最後一種氣體——液氦研究金屬在低温下的電阻，當他們把金屬汞降温到4.2 K（熱力學温標中0 K對應着零下273.2攝氏度，4.2 K即相當於零下269攝氏度）時，發現其電阻值突然降到儀器測量範圍的最小值之外，即可認為電阻降為零。昂尼斯把這種物理現象叫做超導，寓意超級導電，他本人因此獲得了1913年的諾貝爾物理學獎。繼第一個超導體金屬汞被發現之後，人們又陸續發現了許多單質金屬及其合金在低温下都是超導體。1933年，德國物理學家邁斯納指出，超導體區別於理想金屬導體，除了零電阻外，它還具有另一種獨立的神奇特性——完全抗磁性。超導體一旦進入超導態，就如同練就了“金鐘罩、鐵布衫”一樣，外界磁場根本進不去，材料內部磁感應強度為零。同時具有零電阻和抗磁性是判斷超導體的雙重標準，單憑這兩大高超本領，超導就具有一系列強電應用前景。利用零電阻的超導材料替代有電阻的常規金屬材料，可以節約輸電過程中造成的大量熱損耗；可以組建超導發電機、變壓器、儲能環；可以在較小空間內實現強磁場，從而獲得高分辨的核磁共振成像、進行極端條件下的物性研究、發展安全高速的磁懸浮列車等等。可是，如此神通廣大的超導體，在人們日常生活中卻遠遠不如半導體那麼聲名遠播呢？這是因為半導體在室温下就能用，但超導體往往需要非常低的温度環境（低於其超導臨界温度），這種低温環境一般依賴於昂貴的液氦來維持，這極大地增加了超導應用的成本。解決這一問題關鍵在於尋找更高臨界温度的超導體，特別是室温超導體——這是所有超導研究人員的終極夢想。

在探索新超導體過程中，物理學家同時擔任着另一項重要科學任務——從微觀層面解釋為什麼電子能夠在固體材料中“暢行無阻”。包括愛因斯坦、玻爾和費曼等在內的世界上許多頂級聰明的物理學家都曾試圖完成這個任務，絕大部分都是失敗的嘗試，在等待了漫長的46年之後的1957年，常規金屬超導微觀理論在美國三名物理學家手上被成功建立，這個理論以他們的名字（巴丁、庫伯、施裏弗）命名為BCS理論。BCS理論認為，常規金屬合金中的自由電子除了人們熟知的庫侖排斥作用外，還存在一種較弱的吸引相互作用。因為固體材料中的原子總是在平衡位置附近不停地熱振動，原子核和其內部電子構成帶正電的原子實會對“路過”帶負電的電子存在吸引相互作用，如果兩個電子運動方向相反（動量相反），那麼它們各自與周圍原子實的相互作用就可以等效為它們之間存在一種弱的吸引相互作用，就像冰面上兩個舞者互相拋接球一樣，這種作用力導致材料中電子兩兩配對。配對後的電子對又叫庫伯對，如果所有庫伯對在運動過程中保持步調一致，那麼配對電子即便受到運動阻礙也會兩兩相消，使得整個配對的自由電子羣體都可以保證能量損失為零，從而實現零電阻狀態。儘管BCS理論如此美妙地用“電子配對、幹活不累”的創意解決了常規金屬合金超導機理問題，但其創新大膽的思想卻遲遲難以被人們所接受，直到被實驗所證實才於1972年被頒發諾貝爾物理學獎。有了理論指引，更高臨界温度的超導體似乎已經可以“按圖索驥”，然而，興奮的實驗物理學家只在三鈮化鍺合金中找到了23.2 K的超導，歷時60餘年的超導探索之路，如同烏龜踱步一樣，路漫漫其修遠。何處是曙光？理論物理學家再次無情地潑了一大瓢冷水——在BCS理論框架下，所有的超導體臨界温度存在一個40 K的理論上限，稱作麥克米蘭極限。

實驗物理學家一直在努力。一點一滴的小驚喜在不斷引起大家的激動。研究表明，元素週期表中許多單質在低温下都是超導體，有的需要加高壓也能實現超導，這些單質煉成合金，臨界温度將更高，它們統稱為“金屬合金超導體”；一些金屬化合物中電子儘管顯得“很笨重”也能實現超導，被歸為“重費米子超導體”；C60和鹼金屬的化合物甚至一些有機材料也是超導體，被劃為“有機超導體”；更令人欣喜的是，許多往往被認為導電性能很差的金屬氧化物如鈦氧化物、鈮氧化物、鉍氧化物、釕氧化物、鈷氧化物等也是超導體。超導，幾乎無處不在！既然“條條大路通超導”，物理學家開始了更大膽的探索，他們在通常認為是絕緣體的銅氧化物陶瓷材料中尋找可能的超導電性。1986年開始，曙光終於破霧而出。位於瑞士蘇黎世的IBM公司的兩名工程師柏諾茲和繆勒在鑭-鋇-銅-氧體系發現可能存在35 K的超導電性。儘管臨界温度尚未突破40 K，但是35 K已經是當時所有超導體臨界温度的新紀錄，為此柏諾茲和繆勒獲得了1987年的諾貝爾物理學獎。一場攀登超導巔峯之戰由此拉開帷幕，其中不乏中國人和華人科學家的身影。1987年2月，美國休斯頓大學的朱經武、吳茂昆研究組和中國科學院物理研究所的趙忠賢研究團隊分別獨立發現在釔-鋇-銅-氧體系存在90 K 以上的臨界温度，超導研究首次成功突破了液氮温區(液氮的沸點為77 K)。採用較為廉價的液氮將極大地降低超導的應用成本，使得超導大規模應用和深入科學研究成為可能，趙忠賢研究團隊也因此獲得1989年國家自然科學一等獎。之後的十年內，超導臨界温度記錄以火箭般速度往上竄，目前世界上最高臨界温度的超導體是汞-鋇-鈣-銅-氧體系（常壓下135 K，高壓下164 K），由朱經武研究小組於1994年所創下。由於銅氧化物超導體臨界温度遠遠突破了40 K的麥克米蘭極限，被人們統稱為“高温超導體”（這裏的高温，實際上只是相對金屬合金超導體較低的臨界温度而言）。很快，人們也認識到，銅氧化物高温超導體（或稱銅基超導體）不能用傳統的BCS超導微觀理論來描述。要獲得如此之高的臨界温度，僅僅依靠原子熱振動作為中間媒介形成配對電子是遠遠不夠的。進而，人們發現重費米子超導體、有機超導體和某些氧化物超導體均不能用BCS理論來描述，儘管電子配對的概念仍然成立，但是如何配對、配對媒介和配對方式卻千奇百怪。這些超導體又被統稱為非常規超導體，區別於可以用BCS理論描述的常規金屬合金超導體。2001年，日本科學家在二硼化鎂材料中發現39 K的超導電性，這種超導材料中有多種類電子都參與了超導電子配對，又被叫做多帶超導體。二硼化鎂是目前為止發現的臨界温度最高的常規超導體，距離40 K的上限僅一步之遙，但無論怎麼摻雜或者加壓都不能脱離40 K這個極限。

室温超導停滯在164 K這個世界紀錄上，再也難以往上挪動半步。人們試圖在液氮温區大規模推廣高温超導強電應用技術時，發現它實際上“中看不中用”。本質為陶瓷材料的銅氧化物在力學性能上顯得脆弱不堪、缺乏柔韌性和延展性，在物理上其臨界電流密度太小，容易在承載大電流時失去超導電性而迅速發熱。科學家們經過20餘年的工藝努力，銅氧化物超導線圈雖然已開始步入市場，但絕大部分超導強電應用還停留在常規金屬合金超導體上。不過銅基超導的弱電應用同樣發展迅速，利用其製備成的超導量子干涉儀是目前世界上最靈敏的磁探測技術，而用銅氧化物超導薄膜製備的超導微波器件正在走向商業化和市場化，未來世界還可能出現以超導比特為單元的量子計算機——一種基於量子力學原理的高速計算機。由於銅基超導體在非常規超導體中最為特殊，因此也具有非常重要的基礎研究價值，高温超導電性的微觀機理，成為凝聚態物理學皇冠上的明珠之一。挑戰遠遠比想象中的困難，人們發現高温超導體裏很多新奇物理現象可能超出了現有物理學理論體系所能理解的範疇，其中最為麻煩的就是，這類材料中電子之間存在很強的相互關聯效應，成為強關聯體系。經過近30年的奮鬥，人們對銅基超導體取得共識的研究結論寥寥無幾，更多的是充滿爭議和困惑。理論上來指導尋找更高臨界温度超導體，近乎痴人説夢，而實驗物理學家只能憑經驗和感覺來大海撈針。

2008年3月1日-5日，活躍在超導研究最前沿的一羣中國科學家齊聚在中國科學院物理研究所，這裏正在召開“高温超導機制研究態勢評估研討會”，探討迷惘的高温超導研究未來之路，試圖甄別銅基高温超導研究的突破點。此時，同一棟樓裏的超導實驗室和極端條件實驗室裏已悄然走在了超導研究變革的前沿。2008年2月23日，日本西野秀雄研究小組報道了在氟摻雜的鑭-鐵-砷-氧體系中存在26 K的超導電性。中國科學家在得知消息的第一時間裏合成了該類材料並開展了物性研究，其中中科院物理所和中國科大的研究人員採用稀土替代方法獲得了一系列高質量的樣品，驚喜地發現其臨界温度突破了40 K，優化合成方式之後可以獲得55 K的高臨界温度。新一代高温超導家族——鐵基高温超導體就此誕生，這一次從新超導體發現到臨界温度突破麥克米蘭極限僅僅用了不到三個月的時間，新的超導記錄幾乎以天為單位在不斷更新。在隨後幾年裏，新的鐵砷化物和鐵硒化物等鐵基超導體系不斷被發現，典型母體如鑭-鐵-砷-氧、鋇-鐵-砷、鋰-鐵-砷、鐵-硒等，這些材料幾乎在所有的原子位置都可以進行不同的摻雜而獲得超導電性。鐵基超導家族成員數目粗略估計有3000多種（許多還尚待發現），可謂是目前發現的最龐大超導家族。鐵基高温超導體的發現無疑為當時幾近低迷的高温超導研究注入了一股前所未有的“強心劑”，已逾百年的超導研究從此煥發了新一輪的青春活力。

作為繼銅基超導體之後的第二大高温超導家族，鐵基超導體具有更加豐富的物理性質和更有潛力的應用價值。它和銅基超導體存在“形似而神不似”關係，晶體結構、磁性結構和電子態相圖均非常類似；但是它從電子結構角度又屬於類似二硼化鎂那樣的多帶超導體；其母體更具有金屬性，和具有絕緣性的銅氧化物母體截然不同（銅氧化物僅在摻雜後才出現金屬性）；最新研究結果已經確認電子配對概念仍然適用，在配對媒介上可能和銅基超導體類似，但配對方式上卻更接近於傳統金屬超導體；總體來説，鐵基超導體更像是介於銅基超導體和傳統金屬超導體之間的一個橋樑。通過多年來在銅基超導研究中的經驗和技術積累，鐵基超導研究的進度已經大大加速，新世紀以來的研究成果幾乎可以和銅基超導近30年以來的研究成果相匹敵，在某些方面甚至超越了之前高温超導研究的認識。有了這道橋樑，高温超導研究之路已經不再像是空中樓閣，而是“有徑可循”了，高温超導的微觀機理的神秘面紗正在緩緩揭開。在應用方面，鐵基超導體由於其金屬性，更加容易被加工成線材和帶材，而其可承載的上臨界磁場/臨界電流和銅基超導體相當，甚至有可能更優越。當然，製備鐵基超導材料大部分情況下需要砷化物和鹼金屬或鹼土金屬，具有較強的毒性同時又對空氣異常敏感，這對材料製備工藝和使用安全方面提出了更高的要求。在超導的弱電應用方面，鐵基超導還處在剛剛起步階段，相對已經趨於成熟的銅基超導弱電應用還有很大差距。從材料角度來説，鐵基超導體更具有靈活多變性，這讓高温超導的研究空間大大得到了拓展，許多實驗現象也可以在不同體系進行比照研究，從而得出更加普適的結論。如前所述，幾乎在鐵基母體材料任何一個原子位置進行不同價位甚至同價位的元素摻雜都可以實現超導電性，不同體系材料超導電性隨着外界壓力演變也有所不同。更有趣的是，日本科學家還發現用各種酒泡過的母體材料也可以超導，真是“醉翁之意不在酒，在乎超導之間也”！鐵基超導體的發現極大地鼓舞了超導材料探索者的信心，正如發現二硼化鎂的日本科學家豪言：“我相信世界上所有材料都有可能成為超導體，只要引入足夠多載流子或足夠強的壓力或足夠低的温度等外界條件，就有希望實現超導！”

在含鐵的化合物中尋找到高温超導電性本身就是一件突破常規的事情，因為通常認為鐵離子帶有磁性，會極大地破壞超導。出乎意料的是，鐵砷化物母體中摻雜磁性離子如鈷和鎳反而會誘發超導電性，鐵基超導的發現證明磁性和超導其實完全可以“和平共處”，新超導體的發現往往就在打破常規之處。新超導體的發現需要機遇、運氣和長期經驗積累，日本的西野秀雄原先並不是研究超導的，他的研究組一直致力於尋找透明導電氧化物材料，並於2006年意外發現鑭-鐵-磷-氧材料中存在3 K左右的超導電性，之後意識到鑭-鐵-砷-氧化合物中同樣可能存在超導電性，通過摻雜氟，他們才獲得了26 K的新超導體。新材料探索過程很難存在百分百的原始創新，實際上，早在1990年，鑭-鐵-磷-氧材料就已經被德國科學家發現，而在1995年類似的鐵磷化物、鈷磷化物和釕磷化物等也被相同研究組所報道，到了2000年，具有同樣晶體結構的稀土-鐵砷化物也被成功製備，只是遺憾的是，他們沒有進一步用氟替代摻雜，與新超導體的發現只能擦肩而過，而西野秀雄等人準確地把握住了這個機會。類似地，中國科學家利用稀土替代效應而成功突破麥克米蘭極限，正是得益於於常年研究超導的敏鋭洞察力，又有多年來實驗設備和人才方面的儲備，才能在第一時間把握重要機遇。

物理學家麥克米蘭根據傳統理論計算推斷，超導體的轉變温度不能超過40K，約零下233攝氏度。40K以上鐵基高温超導體的發現及若干基本物理性質研究的科學意義在於，首次突破麥克米蘭極限温度，確定鐵基超導體為新一類高温超導體；合成系列鐵基高温超導體並確認為第二個高温超導家族，創造並保持55K鐵基超導體臨界温度的最高紀錄。

中國如洪流般不斷湧現的研究結果標誌着在凝聚態物理領域，中國已經成為一個強國。——美國《科學》雜誌 ^[4] 

鐵基超導在2008年被多家媒體評為世界十大科學進展之一，中國鐵基超導研究團隊獲得了2009年度“求是傑出科學成就集體獎”和2013年度國家自然科學一等獎。可以説，鐵基超導的研究加速了高温超導機理的解決進程，使得人們完全有理由相信在不久的將來，室温超導可以被實現並被廣泛應用。 ——美國《科學》雜誌 ^[4]