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）。3月14日，中科院物理所闻海虎，在镧氧铁砷 (LaOFeAs) 材料中用二价金属替换三价的La，在空穴型掺杂中取得重要进展，临界温度达到25K。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℃，将这场追求铁基高临界温度的竞争推向高潮，并保持着目前为止铁基超导体的临界温度最高纪录。

新的超导机制有望取得突破

超导电性作为一种宏观量子现象是凝聚态物理的重要研究课题.探索具有较高超导转变温度的新型超导材料以及理解超导产生的机理一直是超导研究相互依存的两条主线. 1957年，美国理论物理学家巴丁（J.Bardeen）、库柏（L.N.Cooper）和施瑞弗（J.R.Schrieffer）提出超导的微观理论－－BCS理论，用库柏对来解释超导机制。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——库柏对，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。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。铁基超导体一方面为寻找新的超导体系提供了新的思路、开辟了新的领地,另一方面为研究超导电性和磁性之间关系提供了新的模型系统。目前得出了下列一些初步的结论。

铁基超导体与铜氧化物高温超导体存在显著差别.铜氧化物超导体的母体是强电子关联的反铁磁Mott绝缘体,掺杂引进额外电子或空穴,在费米能附近形成新的隙间态,使得体系逐渐变成导电的金属以及在低温下超导.而铁基超导体的母体是金属,基于巡游电子图像的费米面叠套驱动的自旋密度波不稳定性为我们理解该系统提供了基

本的出发点,但局域磁矩的反铁磁交换作用显然也存在其中.掺杂电

子或空穴只是升高或降低体系的化学势,使得电子和空穴型费米面之间叠套或其他相互作用效应减弱,当长程自旋密度波有序不能建立起来时,超导的电子配对则得以实现。

新老两类材料的高温超导机制是否一样？虽然铜氧化合物的超

导机制尚未有定论，但诺贝尔奖获得者、美国普林斯顿大学教授菲利普·安德森已经预言，假如不一样，就意味着新材料的发现比预想的要重要得多，也许能从中发现全新的超导机制。

铁基超导体的特殊物性及应用前景

铁基超导体材料的发现吸引了凝聚态物理学家广泛的研究兴趣。除了高的超导临界转变温度，它还表现出了很多奇异的物理性质，诸如：超导与磁性竞争共存多能带和多能隙，可能存在的非常规超导配对机制以及量子临界行为。与最近20多年来被广泛研究的铜氧化物相比，铁基超导体具有非常高的上临界场，较低的各向异性，同时具有非常高的上临界场，较低的各向异性，同时具有较高的临界电流密度。而且通过测量磁滞回线，在Ba0.6K0.4Fe2As2单晶中发现了类似于YBCO 的鱼尾效应（第二峰），这些性质都预示了铁基超导材料具有很大的潜在应用价值。近期，中国科学院电工所马衍伟小组已经成功的使用粉末套管法做出转变温度达25K的LaFeAsO1-x F x线材。

总结与展望

铁基超导体的研究和发现被美国《Science》杂志评为2008年世界十大科技进展之一。一大批新超导材料的发现极大地扩展了超导物理

的研究领域。而这其中令人称道的是中国科学家在这个领域中做出的令世界瞩目的贡献。目前科学家们普遍认为，铁基超导体的配对机制和超导机理仍不清楚，这其中的物理研究正在随着高质量的单晶样品的出现而逐步深入。另一方面，新铁基超的材料的探索方兴未艾，沿着设计新结构和多层的思路，更高临界转变温度的铁基超导体很有可能会在未来被人们发现。

参考资料：

程鹏，方磊，闻海虎，铁基超导材料的探索和研究进展。中国材料进展，2009,28（4）

王楠林，铁基超导体系中的竞争序。物理•38卷（2009年）9期

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