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鐵基超導
化合物含鐵在低溫時的超導現(xiàn)象
鐵基超導，即鐵基超導電性，具備這種特性的材料叫超導體。鐵基超導體是指化合物中含有鐵，在低溫時具有超導現(xiàn)象，且鐵扮演形成超導的主體的材料。
基本信息
| 中文名 | 鐵基超導 |
| 特殊現(xiàn)象 | |
| 全稱 | 鐵基超導電性 |
| 性質 | 超導體 |
晶體結構
現(xiàn)有的鐵基超導體從結構上可分為四類：（1111）、（122）、（111）和 (11)。
“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AFeAs(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.
溫度 (K) | |
LaOFFeAs | 26 |
LaOFFeAs | 28.5 |
CeFeAsOF | 41 |
SmFeAsOF | 43 |
LaYFeAsO | 43.1 |
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溫度 (K) | |
BaKFeAs | 38 |
CaNaFeAs | 26 |
CaFeCoAsF | 22 |
SrSmFeAsF | 56 |
LiFeAs | <18 |
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最新成果1
2006年日本東京工業(yè)大學細野秀雄教授的團隊發(fā)現(xiàn)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(jù)BCS理論，產(chǎn)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(chǎn)生超導的主體，但是鐵和其他元素（如砷、硒）形成鐵基平面后，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(fā)表鐵基層狀材料La[OF]FeAs（x = 0.05 – 0.12）在絕對溫度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溫超導臨界溫度可達52開爾文（零下221.15℃）。4月13日該科研小組又有新發(fā)現(xiàn)：氟摻雜釤氧鐵砷化合物假如在壓力環(huán)境下產(chǎn)生作用，其超導臨界溫度可進一步提升至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溫度為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于鐵基超導體的結構與高溫超導的銅氧平面類似，超導性發(fā)生在鐵基平面上，屬于二維的超導材料。因此盡管鐵基超導體的臨界溫度只有數(shù)十K，研究鐵基超導體可能有助于了解高溫超導的機制。
最新成果2
中科院電工研究所研究員馬衍偉帶領科研團隊成功研制出世界首根100米量級鐵基超導長線。這一成果創(chuàng)造了鐵基超導材料從實驗室走向產(chǎn)業(yè)化。
鐵基超導材料在工業(yè)、醫(yī)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》雜志認為是最具有發(fā)展前景的新型高溫超導體之一。業(yè)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(chǎn)權的鐵基超導長線制備技術，為其在強電領域的實用化和產(chǎn)業(yè)化奠定了堅實基礎。
獲獎情況
發(fā)展歷程
鐵基超導——凝聚態(tài)物理天空中閃耀的新星
（右）超導體的完全抗磁性
這還得從神秘又奇特的超導體說起。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后一種氣體——液氦研究金屬在低溫下的電阻，當他們把金屬汞降溫到4.2 K（熱力學溫標中0 K對應著零下273.2攝氏度，4.2 K即相當于零下269攝氏度）時，發(fā)現(xiàn)其電阻值突然降到儀器測量范圍的最小值之外，即可認為電阻降為零。昂尼斯把這種物理現(xiàn)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(fā)現(xiàn)之后，人們又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了許多單質金屬及其合金在低溫下都是超導體。1933年，德國物理學家邁斯納指出，超導體區(qū)別于理想金屬導體，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(tài)，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(guī)金屬材料，可以節(jié)約輸電過程中造成的大量熱損耗；可以組建超導發(fā)電機、變壓器、儲能環(huán)；可以在較小空間內實現(xiàn)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(fā)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么聲名遠播呢？這是因為半導體在室溫下就能用，但超導體往往需要非常低的溫度環(huán)境（低于其超導臨界溫度），這種低溫環(huán)境一般依賴于昂貴的液氦來維持，這極大地增加了超導應用的成本。解決這一問題關鍵在于尋找更高臨界溫度的超導體，特別是室溫超導體——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，物理學家同時擔任著另一項重要科學任務——從微觀層面解釋為什么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年之后的1957年，常規(guī)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、施里弗）命名為BCS理論。BCS理論認為，常規(guī)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），那么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。配對后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，那么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群體都可以保證能量損失為零，從而實現(xiàn)零電阻狀態(tài)。盡管BCS理論如此美妙地用“電子配對、干活不累”的創(chuàng)意解決了常規(guī)金屬合金超導機理問題，但其創(chuàng)新大膽的思想?yún)s遲遲難以被人們所接受，直到被實驗所證實才于1972年被頒發(fā)諾貝爾物理學獎。有了理論指引，更高臨界溫度的超導體似乎已經(jīng)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余年的超導探索之路，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，所有的超導體臨界溫度存在一個40 K的理論上限，稱作麥克米蘭極限。
超導體發(fā)現(xiàn)年代及其臨界溫度
室溫超導停滯在164 K這個世界紀錄上，再也難以往上挪動半步。人們試圖在液氮溫區(qū)大規(guī)模推廣高溫超導強電應用技術時，發(fā)現(xiàn)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(fā)熱。科學家們經(jīng)過20余年的工藝努力，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(guī)金屬合金超導體上。不過銅基超導的弱電應用同樣發(fā)展迅速，利用其制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制備的超導微波器件正在走向商業(yè)化和市場化，未來世界還可能出現(xiàn)以超導比特為單元的量子計算機——一種基于量子力學原理的高速計算機。由于銅基超導體在非常規(guī)超導體中最為特殊，因此也具有非常重要的基礎研究價值，高溫超導電性的微觀機理，成為凝聚態(tài)物理學皇冠上的明珠之一。挑戰(zhàn)遠遠比想象中的困難，人們發(fā)現(xiàn)高溫超導體里很多新奇物理現(xiàn)象可能超出了現(xiàn)有物理學理論體系所能理解的范疇，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(lián)效應，成為強關聯(lián)體系。經(jīng)過近30年的奮斗，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溫度超導體，近乎癡人說夢，而實驗物理學家只能憑經(jīng)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群中國科學家齊聚在中國科學院物理研究所，這里正在召開“高溫超導機制研究態(tài)勢評估研討會”，探討迷惘的高溫超導研究未來之路，試圖甄別銅基高溫超導研究的突破點。此時，同一棟樓里的超導實驗室和極端條件實驗室里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里合成了該類材料并開展了物性研究，其中中科院物理所和中國科大的研究人員采用稀土替代方法獲得了一系列高質量的樣品，驚喜地發(fā)現(xiàn)其臨界溫度突破了40 K，優(yōu)化合成方式之后可以獲得55 K的高臨界溫度。新一代高溫超導家族——鐵基高溫超導體就此誕生，這一次從新超導體發(fā)現(xiàn)到臨界溫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。在隨后幾年里，新的鐵砷化物和鐵硒化物等鐵基超導體系不斷被發(fā)現(xiàn)，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(shù)目粗略估計有3000多種（許多還尚待發(fā)現(xiàn)），可謂是目前發(fā)現(xiàn)的最龐大超導家族。鐵基高溫超導體的發(fā)現(xiàn)無疑為當時幾近低迷的高溫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(fā)了新一輪的青春活力。
作為繼銅基超導體之后的第二大高溫超導家族，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”關系，晶體結構、磁性結構和電子態(tài)相圖均非常類似；但是它從電子結構角度又屬于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（銅氧化物僅在摻雜后才出現(xiàn)金屬性）；最新研究結果已經(jīng)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于傳統(tǒng)金屬超導體；總體來說，鐵基超導體更像是介于銅基超導體和傳統(tǒng)金屬超導體之間的一個橋梁。通過多年來在銅基超導研究中的經(jīng)驗和技術積累，鐵基超導研究的進度已經(jīng)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溫超導研究的認識。有了這道橋梁，高溫超導研究之路已經(jīng)不再像是空中樓閣，而是“有徑可循”了，高溫超導的微觀機理的神秘面紗正在緩緩揭開。在應用方面，鐵基超導體由于其金屬性，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(yōu)越。當然，制備鐵基超導材料大部分情況下需要砷化物和堿金屬或堿土金屬，具有較強的毒性同時又對空氣異常敏感，這對材料制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(jīng)趨于成熟的銅基超導弱電應用還有很大差距。從材料角度來說，鐵基超導體更具有靈活多變性，這讓高溫超導的研究空間大大得到了拓展，許多實驗現(xiàn)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(xiàn)超導電性，不同體系材料超導電性隨著外界壓力演變也有所不同。更有趣的是，日本科學家還發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)極大地鼓舞了超導材料探索者的信心，正如發(fā)現(xiàn)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溫度等外界條件，就有希望實現(xiàn)超導！”
鐵基超導體發(fā)現(xiàn)時間及其超導臨界溫度
科學意義
物理學家麥克米蘭根據(jù)傳統(tǒng)理論計算推斷，超導體的轉變溫度不能超過40K，約零下233攝氏度。40K以上鐵基高溫超導體的發(fā)現(xiàn)及若干基本物理性質研究的科學意義在于，首次突破麥克米蘭極限溫度，確定鐵基超導體為新一類高溫超導體；合成系列鐵基高溫超導體并確認為第二個高溫超導家族，創(chuàng)造并保持55K鐵基超導體臨界溫度的最高紀錄。
相關評論
中國如洪流般不斷涌現(xiàn)的研究結果標志著在凝聚態(tài)物理領域，中國已經(jīng)成為一個強國。——美國《科學》雜志
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“求是杰出科學成就集體獎”和2013年度國家自然科學一等獎。可以說，鐵基超導的研究加速了高溫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，室溫超導可以被實現(xiàn)并被廣泛應用。 ——美國《科學》雜志
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尚可名片
這家伙太懶了，什么都沒寫！
作者
