铁基超导,中国主导
中国铁基超导研究吸引全世界瞩目
中国铁基超导研究吸引全世界瞩目02008年3月，铁基超导研究竞争全面铺开，王楠林和他的同事经常要过着这样的生活：在实验室工作到凌晨，回家冲个澡，休息几个小时甚至个把钟头，便又回到实验室开始新一天的工作。
1911年，荷兰物理学家卡麦林·昂尼斯发现超导之后，已经有10人因超导研究获得诺贝尔奖。
因此，对超导机理以及全新超导体的探索，是当今物理学界最重要的前沿问题之一，被誉为"20世纪最伟大的科学发现之一"。
如此重要的领域，中国科学家自然不能缺席。
自2008年以来，他们将目光逐步对准了铁基高温超导体。
这种超导体以铁为关键化学元素，与1986年欧洲科学家发现的铜氧化物高温超导体相比，在工业上更加容易制造，同时还能够承受更大的电流，具有更广泛的应用。
物理所和中国科学技术大学（以下简称中科大）的中国科学家不仅首先使铁基超导体突破了"麦克米兰极限温度"（40K，约零下233摄氏度），创造了铁基超导体临界转变温度的世界纪录，并且在铁基超导的电子结构、物性和机理研究方面均达到国际一流水平，形成了强大的中国超导团队。
"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一（凝聚态物理强国的）行列。
"着名理论物理学家、美国佛罗里达大学教授Peter Hirschfeld评价道。
超导中的璞玉早在2006年，陈根富在德国马克斯-普朗克学会做访问学者时，就对当时报道的镧氧铁磷超导体很感兴趣，并认为用砷取代磷也可能具有超导等非常规的物理性质。
2007年9月，陈根富一加入物理所王楠林研究组，就提出要做镧氧铁砷超导材料的制备研究，并计划开展其他稀土替代物铈氧铁砷等材料的合成。
但稀土元素镧、铈等容易氧化，砷在空气中又可能氧化生成砒霜。
因为缺乏手套箱等基本设备，陈根富只得放弃镧氧铁砷材料的多晶制备，从难度更大的单晶生长入手。
为尽量避免稀土和砷粒被氧化，陈根富一边戴着医用胶皮手套和口罩防止砷中毒，一边迅速取出玻璃管中封存的砷和稀土，称量后立即将其封入钽管，放入高温炉中促使其进行单晶生长。
春华秋实科技结硕果砥砺前行创新扬风帆——写在中华人民共和国成
卷首语2019年09月号春华秋实科技结硕果砥砺前行创新扬风帆—— 写在中华人民共和国成立70周年之际FOREWORD本刊编辑部2019年是新中国成立70周年。
70年来，在五代党的领导人带领下，新发展理念搭建起通向未来的阶梯，全面深化改革全面发力、多点突破，综合国力不断增强，人民幸福指数持续提升。
科技创新更是蓬勃发展，如火如荼，蒸蒸日上：3000米，这是国产大飞机C919首飞的最大飞行高度；6000米，国内首架大型双发长航时无人机成功首飞；数百公里的太空轨道，神舟飞天、北斗组网，中国卫星自由徜徉；38万公里之外的月球，嫦娥四号首探月背，五星红旗格外鲜亮……中华民族从站起来、富起来到强起来，无数梦想拔节生长，美好希望竞相绽放。
新中国的科技事业几乎从零起步。
1956年，中央发出“向科学进军”的伟大号召，在“重点发展，迎头赶上”方针指引下，国家初步建立了由政府主导和布局的科技体系，打破封锁，发奋图强，为中国科技事业发展奠定了坚实的基础，注入了自强的灵魂。
一大批海外学子，包括以钱学森、华罗庚、朱光亚等为代表的海外专家学者，破除一切艰难险阻，怀抱对祖国的浓浓感情，纷纷归国效力，为新中国科技事业发展做出了突出贡献。
到1957年，归国的海外学者已经达到3000多人。
这一时期在举国体制下，迅速涌现出了一批追赶世界水平的重大科技成果：1958年，中国第一台电子管计算机试制成功，半导体三极管、二极管相继研制成功；1959年，李四光等人提出“陆相生油”理论；1960年，王淦昌等人发现反西格玛负超子；1964年，第一颗原子弹装置爆炸成功，第一枚自行设计制造的运载火箭发射成功；1965年，在世界上首次人工合成牛胰岛素；1967年，第一颗氢弹空爆成功；1970年，“东方红一号”人造地球卫星发射成功……这一系列科技成就为新中国科技发展奠定了重要基础。
改革开放后，为尽快改变科学技术落后状况，中央对科技发展进行全面系统规划。
1978年，国家制定了《1978-1985年全国科学技术发展规划纲要》，确定了8个发展领域和108个重点研究项目，总第363期为新时期国民经济和科学技术的基本方针政策奠定了理论基础。
铁基超导
铁基超导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。
传统的解释常规超导体的超导电性的微观理论预言，超导体的最高温度不会超过麦克米兰极限的39K。
在以往的研究中，只有1987年发现的铜氧化合物超导体打破了这一极限，被称为高温超导体。
最近，在铁基磷族化合物中发现的超导电性其超导临界温度可达55K，同样突破了传统理论预言的麦克米兰极限。
这是第一个非铜基的高温超导体，掀起了高温超导研究的又一次热潮。
铁基超导的研究进入了一个空前发展的阶段，各国都在进行这一新材料的研究，铁基超导体薄膜研究进展与铁基超导体大同位素效应就是其中的热点。
从2008年新的铁基高温超导体发现以来，铁基超导薄膜的研究进展相对缓慢。
这是因为较难精确控制人们所需要的亚稳相中的多元素配比、以及多种热力学相之间的互相竞争。
由于元素配比和不同热力学相竞争所导致的较少量的杂质，在块状材料的合成中有时可以接受，但对低维的薄膜材料却不能允许。
迄今已发现四种主要晶体结构的铁基超导体，包括含砷或磷（chalcogens）的1111相、122相、111相，以及含氧硫族元素（pnictogens）的11相。
它们都具有超导的Fe-X （X为As、P、Se、S或Te等）层，且前三类超导体中这些层由La-O等隔离层隔开，而超导的11相FeSe、Fe(Se,Te)只有Fe-X层，晶体结构最简单。
目前人们只得到了11相的单相、外延、超导薄膜。
而对含砷的铁基超导体而言，经过近两年的探索，仍未能得到单相的超导薄膜。
中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)超导实验室的曹立新副研究员带领博士生韩烨、李位勇，与相关科研人员合作，在国际上率先制备出单相的外延FeSe超导薄膜（第十届全国超导薄膜和超导电子器件学术研讨会，大连，2008年10月11日-15日），率先发表文章（Journal of Physics: Condensed Matter 21, 235702, 2009），并申请了国家专利。
铁基超导：让我们出乎意料
铁基超导：让我们出乎意料——2008十大科学进展解读（二）--------------------------------------------------------------------------------本报记者陈瑜2008年以前，假如一位学生在参加研究生入学面试时，将铁基化合物列为高温超导材料，该学生只会不及格。
这种假设透露了一个信息：该学生对基础知识的掌握不过关。
铁基材料通常具有铁磁性，被认为最不具备成为高温超导材料的条件。
但历史开了一个大玩笑。
在美国《科学》杂志公布的2008年十大科学进展中，铁基高温超导材料名列其中。
在由科技日报社组织，部分院士、多家中央新闻单位以及该报读者参与评选的“2008年国内十大科技新闻”中，该发现同样入围。
———事件回放———铁基化合物惊现超导特性2008年2月23日，日本科学技术振兴机构和东京工业大学联合发布公报称，东京工业大学教授细野秀雄的研究小组合成了氟掺杂钐氧铁砷化合物。
该化合物是一种由绝缘的氧化镧层和导电的砷铁层交错层叠而成的结晶化合物。
纯粹的这种物质没有超导性能，但如果把化合物中的一部分氧离子转换成氟离子，它就开始表现出超导性，并且在26K（零下247摄氏度）时具有超导特性。
但是26K的临界温度并没有突破麦克米兰极限(一般认为，传统超导临界温度最高只能达到39K，被称为麦克米兰极限)。
临界温度可达到55K一个多月后，中国科学技术大学微尺度国家实验室的陈仙辉教授和中国科学院物理研究所的王楠林研究员领导的研究小组几乎同时发现新的铁基高温超导材料，其超导临界温度超过了40K。
紧接着，中国科学院物理研究所的赵忠贤院士领导的研究小组又将这一纪录提高到55K。
“该材料是除铜氧化合物高温超导体之外，第一个临界温度超过40K的非铜氧化合物超导体，突破了…麦克米兰极限‟。
”丁洪认为，这也使人们相信铁基高温超导材料不是传统超导体。
———新的突破———打破铜氧化合物垄断“该发现最大的意义在于实现了高温超导基础研究领域上新的突破，为新型高温超导研究指明了一个新的方向。
超导材料的新发现和应用前景
超导材料的新发现和应用前景超导材料作为一种能在低温下表现出零电阻、零磁场排斥和无能量损耗的特殊材料，一直以来都备受科学界的关注。
近年来，科学家们在超导材料领域做出了一系列新的发现，并探索了其广阔的应用前景。
本文将介绍一些最近的超导材料的发现，以及其在能源、交通和医学领域的潜在应用。
最令人兴奋的超导材料之一是铁基超导体。
铁基超导体在2008年首次被发现，从此以来一直是超导材料领域的热点研究对象。
与传统的铜基超导体相比，铁基超导体具有更高的临界温度和更好的可控性。
近年来，科学家们发现了一些具有高温超导性质的新型铁基超导体，如LaFeAsO和FeSe系列。
这些新发现为超导材料的研究和应用开启了新的篇章。
除铁基超导体外，钴基超导体也是近年来引起广泛关注的超导材料之一。
钴基超导体具有较高的临界温度和均匀的结构，这使其在能源存储和传输方面具有巨大的潜力。
科学家们已经成功制备出多种钴基超导体，并正在研究它们的物理性质和应用潜力。
钴基超导体的研究将为新一代能源技术的发展提供重要支持。
除了铁基和钴基超导体，铜基超导体仍然是超导材料领域的重要组成部分。
铜基超导体具有较高的临界温度和良好的电子输运性质，这使其在电力输送、储能和传感器方面具有广阔的应用前景。
科学家们通过优化合成和控制晶体结构，已经成功制备出一系列新型铜基超导体，如YBCO和BSCCO。
这些新发现为更高温度和更稳定的超导体的发展打下了坚实的基础。
超导材料在能源领域具有巨大的应用潜力。
由于超导材料的零电阻特性，能量的输送效率可以大大提高。
因此，超导材料可以用于建设高效能源输电系统，减少能源损耗和环境污染。
此外，超导材料还可以应用于能量存储和电动车辆技术，提供更持久和可靠的能源解决方案。
这些应用将深刻改变能源行业的发展，并为可持续发展做出贡献。
在交通领域，超导材料也具有广泛的应用前景。
超导磁悬浮技术可以用于高速列车和磁悬浮轨道交通系统，以实现高速、低能耗和低噪音的交通运输。
铁基超导体
铁基超导体对于现代人来说，超导已经不再是一件什么神秘的事情了，普通的中学生就已经知道了所谓的超导现象：当导体的温度降到一个临界温度时电阻会突然变为零。
处于超导状态的导体称之为超导体。
超导体除了电阻为零的特殊性质之外，人们后来又发现了它的另一个神奇的性质——完全抗磁性，也就是说超导体内的磁感应强度为零，把原来存在于体内的磁场也完全“排挤”出去。
这一现象也被称为“迈斯纳效应”。
正是由于超导体的这一性质，而铁基材料通常具有铁磁性，因此被认为最不具备成为高温超导材料的条件。
但最近的科研结果却打破了这一传统的束缚，铁基超导材料成为了高温超导研究领域的一个“重大进展”。
铁基超导体的发现历程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，美国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，超导体的临界温度也不断“飙升”，在短短几年中，铜氧化合物的超导临界转变温度就被提高到134K（常压）和164K（高压）。
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。
2008年2月23日，日本科学技术振兴机构和东京工业大学联合发布公报称，东京工业大学教授Hosono的研究小组合成了氟掺杂钐氧铁砷化合物。
该化合物是一种由绝缘的氧化镧层和导电的砷铁层交错层叠而成的结晶化合物。
纯粹的这种物质没有超导性能，但如果把化合物中的一部分氧离子转换成氟离子，它就开始表现出超导性，并且在26K（零下247摄氏度）时具有超导特性。
其实在2006和2007年Hideo Hosono小组就已经分别报道在LaFePO 和LaNiPO 材料中发现转变温度为2到7K的超导电性。
但这一次却立刻引发了人们对这一体系的强烈关注（下图为LaFeAsO的晶体结构）。
铁基超导材料的电子结构分析
铁基超导材料的电子结构分析引言近年来，超导材料一直是材料科学领域的研究热点之一。
在各类超导材料中，铁基超导材料因其高超导转变温度和潜在的应用前景而备受关注。
为了深入了解铁基超导材料的性质和机制，研究人员致力于对其电子结构进行详尽的分析。
一、铁基超导材料的发现与特点铁基超导材料最早于2008年由日本学者文山義隆团队首次发现。
与传统的BCS超导理论不同，铁基超导材料的超导机制主要由电子-声子相互作用和自旋-波相互作用共同贡献。
这种复杂的相互作用使得铁基超导材料的电子结构分析变得尤为重要。
二、基于第一性原理的计算方法为了揭示铁基超导材料的电子结构，研究人员通常采用第一性原理计算方法。
这种计算方法基于量子力学原则，从头计算材料的电子结构，能够提供详细的信息，如能带结构、密度泛函理论、费米面等。
通过与实验结果的对比，可以验证该方法的准确性。
三、电子能带结构的分析在铁基超导材料的电子结构分析中，电子能带结构是最重要的指标之一。
通过计算材料的能带结构，可以确定其导电性和超导性等性质。
实验观测到的能带结构与理论计算结果的对比表明，铁基超导材料的电子结构受到晶格结构、杂质和缺陷等因素的影响，进一步揭示了超导机制的复杂性。
四、费米面拓扑的影响费米面是能带结构中非常重要的参数之一，它描述了不同能级上的电子态的分布情况。
对于铁基超导材料来说，费米面的拓扑结构对其超导性能具有重要的影响。
研究人员通过电子结构计算和实验观察发现，铁基超导材料的费米面形状和拓扑结构与其超导转变温度密切相关，为铁基超导体的设计和优化提供了理论依据。
五、磁性相互作用的研究铁基超导材料中的自旋-波相互作用被认为是超导机制的重要因素之一。
通过电子结构计算，可以揭示材料中自旋-波相互作用的本质。
研究人员发现，铁基超导材料的自旋-波相互作用会影响到其电子结构中的能带间隙，进而影响材料的超导性。
这一结果为进一步理解铁基超导材料提供了线索。
结论铁基超导材料的电子结构分析为揭示其超导机制提供了重要的信息。
铁基超导：中国科学家何以领先？
铁基超导：中国科学家何以领先？高温超导机理被誉为凝聚态物理学前沿研究皇冠上的明珠，铁基超导的发现和研究极大地促进了人们对高温超导电性的理解。
罗会仟（中国科学院物理研究所）自2008 年凝聚态物理学领域掀起铁基高温超导研究热潮以来，铁基超导的科学研究已经步入第6 个年头（编者注：此文写于2014年），发表的有关铁基超导研究论文已经数万篇。
截止到2013 年2 月，全世界在铁基超导研究领域被引用数排名前20 的论文中，9 篇来自中国。
铁基超导至今仍然是凝聚态物理基础研究的前沿科学之一，吸引了世界上诸多优秀科学家的目光。
为什么铁基超导如此特别？它的发现对基础物理研究有着什么样的重要影响？中国人在铁基超导洪流中起到了什么样的角色？本文将为您逐一揭晓铁基超导的前世今生。
19 世纪末20 世纪初，人们在气体理论的指导下在实验室不断将各种气体液化，创下了一系列低温记录。
直至1908 年7 月10 日，荷兰莱顿大学的昂尼斯等人成功把最后一个“顽固的气体”——氦气液化，确立液氦沸点为4.2 K(热力学温标中，0 K 对应着－273.2℃，4.2 K 即相当于－269℃)，从此开启了低温物理研究的新篇章(见图1)。
图1 各种气体的沸点1911 年4 月8 日，昂尼斯等试图研究金属在低温下的电阻行为，当他们把金属汞降温到4.2 K时，发现其电阻值突然降到仪器测量范围的最小值(10－5 Ω)，即可认为电阻降为零(见图2)[1]。
昂尼斯把这种物理现象叫做超导，寓意超级导电，他本人因液氦的成功制备和超导的发现获得了1913 年的诺贝尔物理学奖[2]。
图2 金属汞的电阻在4.2 K突然降为零此后，人们又陆续发现了许多单质金属及其合金在低温下都是超导体，一些非金属单质在高压等特殊条件下也是超导体。
在元素周期表中，除了一些磁性单质、惰性气体、放射性重元素和部分碱金属外，许多元素单质都是超导体[3]。
1933 年，德国物理学家迈斯纳通过实验发现，超导体存在其自身特性，和人们所猜想的理想金属导体(低温下电阻逐渐降为零)有很大的区别[4]。
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铁基超导,中国主导
在经历连续3年的空缺之后，2014年1月10日，来自中国科学院物理所和中国科技大学的研究团队，以“40K以上铁基高温超导体的发现及若干基本物理性质研究”问鼎国家自然科学一等奖。
我国超导科技取得的辉煌成就和影响远远超出了学术、科研和工业制造领域。
而铁基超导作为2008年才开始起步的研究项目，以新锐姿态成为超导领域最受重视的板块，吸引了世界上诸多优秀科学家的目光。
为什么铁基超导如此特别？针对它的研究对我们有什么影响呢？世界上有许多单质金属及其合金在特殊条件下都是超导体，即电阻为零，而且还具有完全抗磁性的特性。
一旦进入超导态，材料内部磁感应强度即为零，于是超导体就如同练就了“金钟罩、铁布衫”，外界磁场根本“进”不去。
正是由于这些特性，超导才具有极其深远的应用前景：利用零电阻的超导材料代替有电阻的常规金属材料，可节约输电过程中造成的大量热损耗；可组建超导发电机、变压器、储能环；可在较小空间内实现强磁场，从而获得高分辨率的核磁共振成像，或进行极端条件下的物性研究，或发展安全高速的磁悬浮列车……然而，要让这些物质进入超导态，必须满足一个十分苛刻的条件——环境温度接近绝对零度。
所以，之前提到的那些应用前景在现实生活中很难实现。
物理学家麦克米兰根据传统理论计算断定，超导体的转变温度一般不能超过40K（约零下233℃），这个温度也被称为“麦克米兰极限温度”。
然而，德国、日本科学家却相继发现了打破这一定律的物质。
而两组中国团队更是几乎同时在实验中分别观测到了43K和41K 的超导转变温度，突破了“麦克米兰极限”，证明铁基超导体是继铜氧化物后的又一类非常规高温超导体，在国际上引起极大轰动。
随后，一个来自中科院的研究组将该类铁砷化合物
的超导临界温度提升至55K（零下218.15摄氏度），利用高压合成技术制备出一大批不同元素构成的铁基超导材料并制作了相图，这标志着铁基高温超导家族基本确立。
而中国科学家此次所使用的材料制备技术等为国际科学界进一步研究超导体提供了新工具。
“有人说，人类文明史可以用材料来划分，石器时代、青铜时代、铁器时代……那么，下一个可以用来划分时代的材料就是超导体。
如果室温超导体真的能够得到应用，那它将给我们的生活带来翻天覆地的变化，就像《阿凡达》呈现的一样，居住在悬浮的超导屋里；出门驾乘无轨无轮的超导车；只要充一次电，手机、电脑就能用上好几个月……”如果你真的享受到了这一切，请别忘了中国的铁基超导科学家们。
感谢您的阅读！。