鐵基超導：物理學中的“超新星”

羅會仟

在今年年初召開的國家科學技術獎勵大會上，空缺多年的國家自然科學一等獎被鐵基超導研究團隊獲得。鐵基高溫超導研究的熱潮自2008年興起，至今仍然是凝聚態(tài)物理基礎研究的前沿科學之一，吸引了世界上諸多優(yōu)秀科學家的目光。為什么鐵基超導如此特別？它的發(fā)現(xiàn)對基礎物理研究有什么重要影響？中國人在鐵基超導研究中又扮演了什么樣的角色？

奇特的超導體

1911年4月8日，當荷蘭科學家昂尼斯利用液氦研究金屬在低溫下的電阻狀況時，他驚奇地發(fā)現(xiàn)，金屬汞降溫到4.2 K（熱力學溫標中0 K對應著零下273.2℃，4.2 K即相當于零下269℃）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)象稱為超導，意為超級導電，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)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，它還具有另一種特性，即完全抗磁性。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，在日常應用中為什么遠遠不如半導體那么聲名遠揚呢？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。

“電子配對、干活不累”

除了不斷發(fā)現(xiàn)新的超導體，物理學家還面臨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絕頂聰明的物理學家都曾試圖完成這個任務，但大多以失敗告終。直到1957年，常規(guī)金屬超導微觀理論才被美國3名物理學家成功建立起來，這個理論便根據(jù)他們的姓氏巴丁、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。原子中，原子核及除價電子以外的內層電子組成原子實，由于它是帶正電的，會對“路過”的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，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，但其大膽的思想?yún)s遲遲未被接受，直到該理論最終被實驗所證實，3位科學家才于1972年獲得諾貝爾物理學獎。

突破“麥克米蘭極限”

有了理論指引，更高臨界溫度的超導體似乎可以“按圖索驥”，但實際遠未如此。因為在BCS理論框架下，所有的超導體臨界溫度存在一個40 K（約為零下233℃）的理論上限，被稱為“麥克米蘭極限”。它會是一個無法逾越的障礙嗎？

研究表明，元素周期表中許多金屬單質在低溫下都是超導體，還有的在高壓下也能實現(xiàn)超導，這些單質煉成合金，臨界溫度將更高，它們統(tǒng)稱為“金屬合金超導體”；一些金屬化合物中電子盡管顯得“很笨重”，但也能實現(xiàn)超導，被歸為“重費米子超導體”；碳60和堿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。德國人柏諾茲和瑞士人繆勒在鑭-鋇-銅-氧體系發(fā)現(xiàn)可能存在35 K的超導電性。盡管臨界溫度尚未突破40 K，但是35 K已經是當時所有超導體臨界溫度的新紀錄，為此二人獲得了1987年的諾貝爾物理學獎。

一場攀登超導巔峰之戰(zhàn)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，美國的朱經武、吳茂昆研究組和中科院物理所的趙忠賢研究團隊分別獨立發(fā)現(xiàn)在釔-鋇-銅-氧體系存在90 K 以上的臨界溫度，超導研究首次成功突破了液氮溫區(qū)（液氮的沸點為77 K）。采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(guī)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。

此后，超導臨界溫度紀錄以火箭般速度往上竄，目前世界上最高臨界溫度的超導體是汞-鋇-鈣-銅-氧體系（常壓下135 K，高壓下164 K），由朱經武研究小組于1994年創(chuàng)下。由于銅氧化物超導體臨界溫度遠遠突破了40 K的“麥克米蘭極限”，被人們統(tǒng)稱為“高溫超導體”（這里的高溫，實際上只是相對金屬合金超導體較低的臨界溫度而言）。

鐵基超導橫空出世

然而，當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。而銅基超導的弱電應用則得到很大發(fā)展，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。endprint

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。中國科學家得知消息后在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。

在隨后幾年里，新的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)的最龐大的超導家族。

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”的關系，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。有了這道橋梁，高溫超導研究之路已經不再是空中樓閣，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，鐵基超導體更加容易被加工成線材和帶材，而其可承載的臨界磁場/臨界電流和銅基超導體相當，甚至有可能更優(yōu)越。當然，制備鐵基超導材料對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，相對已經趨于成熟的銅基超導弱電應用還有很大差距。

突破常規(guī)的發(fā)現(xiàn)

在含鐵的化合物中尋找到高溫超導電性是一件突破常規(guī)的事情，因為通常認為鐵的磁性會極大地破壞超導。然而出乎人們意料的是，鐵砷化物母體中摻雜磁性離子如鈷和鎳反而會誘發(fā)超導電性，鐵基超導的發(fā)現(xiàn)證明磁性和超導其實完全可以“和平共處”，新超導體的發(fā)現(xiàn)往往就在打破常規(guī)之處。

實際上，早在1990年，鑭-鐵-磷-氧材料就已經被德國科學家發(fā)現(xiàn)，到了2000年，具有同樣晶體結構的稀土-鐵砷化物也被成功制備。遺憾的是，他們沒有進一步用氟替代摻雜，與新超導體的發(fā)現(xiàn)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”，也是憑借常年研究超導養(yǎng)成的敏銳洞察力，從而在第一時間把握重要機遇。

正是由于中國科學家的努力推動，鐵基超導步入高溫超導大家族，極大地吸引了全世界研究者的目光。在已發(fā)現(xiàn)的10種左右鐵基超導體系中，中國科學家獨立發(fā)現(xiàn)了其中4種。在近兩年，中國科學家還發(fā)現(xiàn)高溫超導其實并不需要太復雜的結構，只需在特殊基片上生長薄薄一層鐵-硒原子層就可以實現(xiàn)60 K以上的高溫超導。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。到那時，我們生活的世界將出現(xiàn)翻天覆地的變化。

【責任編輯】龐 云endprint