鐵基高溫超導(dǎo)材料

1、高溫鐵基超導(dǎo)材料張學(xué)林 200702050940（紅河學(xué)院理學(xué)院07物理 蒙自 661100）摘要：高溫超導(dǎo)研究具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值與科學(xué)價(jià)值。1986年，IBM研究實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家柏諾茲和繆勒發(fā)現(xiàn)了臨界溫度為35K的鑭鋇銅氧超導(dǎo)體。這一突破性發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致了一系列銅氧化物高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)。柏諾茲和繆勒也因此榮獲1987年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。自那以后，銅基高溫超導(dǎo)電性及其機(jī)理成為凝聚態(tài)物理的研究熱點(diǎn)，但其超導(dǎo)機(jī)制至今仍未解決?？茖W(xué)家們都希望在銅基超導(dǎo)材料以外再找到新的高溫超導(dǎo)材料，從而能夠從不同的角度去研究高溫超導(dǎo)機(jī)制。中國(guó)科學(xué)院物理研究所的三個(gè)研究小組在短時(shí)間內(nèi)制備出系列的鐵基超導(dǎo)材料，并很快將臨界溫

2、度提升至55K以上，同時(shí)在機(jī)理研究方面取得了重要進(jìn)展，引起了全世界的高度關(guān)注.關(guān)鍵詞： 鐵基 鐵基高溫超導(dǎo)材料 氧化物高溫超導(dǎo)體 引言：高溫超導(dǎo)電性一直是凝聚態(tài)物理學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究課題之一。作為強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子體系的銅氧化物高溫超導(dǎo)體，其豐富的物理性質(zhì)大大拓寬了人們對(duì)凝聚態(tài)物質(zhì)的理解，但是相關(guān)的機(jī)理卻是凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的難題之一。最近發(fā)現(xiàn)的新型鐵基超導(dǎo)體，其層狀結(jié)構(gòu)與銅氧化物相似，而超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度可以高于50 K。2008年，一種奇特的超導(dǎo)材料臨界溫度為26K的鐵基超導(dǎo)體由日本學(xué)者報(bào)道后，中國(guó)科學(xué)院物理研究所的三個(gè)研究小組在短時(shí)間內(nèi)制備出系列的鐵基超導(dǎo)材料，并很快將臨界溫度提升至55K以上，同時(shí)在機(jī)理研

3、究方面取得了重要進(jìn)展，引起了全世界的高度關(guān)注。今日物理、科學(xué)等國(guó)際多家科技媒體相繼報(bào)道了中國(guó)科學(xué)院的研究人員在鐵基超導(dǎo)研究中所開(kāi)展的具有重要影響的工作，并給予高度評(píng)價(jià)。2008年10月，由物理研究所主辦的“北京國(guó)際鐵（鎳）基超導(dǎo)研討會(huì)”在物理所召開(kāi)，來(lái)自國(guó)際上超導(dǎo)界、強(qiáng)關(guān)聯(lián)研究方面的知名研究團(tuán)隊(duì)的專家，就鐵基高溫超導(dǎo)材料探索、物理性質(zhì)、機(jī)理以及應(yīng)用前景進(jìn)行了深入討論和交流，并建立了物理研究所與國(guó)外研究機(jī)構(gòu)的合作平臺(tái)。我們將對(duì)鐵基超導(dǎo)材料做進(jìn)一部了解，從材料晶體結(jié)構(gòu)差異的角度綜合介紹目前發(fā)現(xiàn)的鐵基超導(dǎo)體。鐵基超導(dǎo)材料探索研究的最新進(jìn)展,它的性能及發(fā)展歷程和她的發(fā)展?jié)摿?。傳統(tǒng)超導(dǎo)材料的臨界轉(zhuǎn)變溫度

4、過(guò)低，在應(yīng)用上受到很大限制。與傳統(tǒng)超導(dǎo)材料相比，高溫超導(dǎo)材料有著更為廣闊的應(yīng)用前景。2008年中國(guó)科學(xué)家在高溫超導(dǎo)領(lǐng)域取得了一系列重大突破，2月繼日本東京工業(yè)大學(xué)Hideo Hosono教授發(fā)表文章指出F-摻雜的鑭氧鐵砷在26K時(shí)產(chǎn)生超導(dǎo)電性后，中國(guó)科學(xué)院物理所王楠林研究組在一周內(nèi)即完全獨(dú)立地研制出了這種新型超導(dǎo)材料，并開(kāi)始對(duì)其進(jìn)行物性研究。幾乎與此同時(shí)，物理所聞海虎研究組在鑭氧鐵砷材料中用二價(jià)金屬Sr替換三價(jià)的La，發(fā)現(xiàn)其具有25K以上的超導(dǎo)電性。3月25日和26日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)陳仙輝研究組和物理所王楠林研究組分別獨(dú)立發(fā)現(xiàn)超過(guò)40K的非傳統(tǒng)超導(dǎo)體。3月29日，趙忠賢研究組研制的氟摻雜的鐠

5、氧鐵砷化合物的超導(dǎo)臨界溫度達(dá)到52K。4月初，該小組又發(fā)現(xiàn)無(wú)氟缺氧釤氧鐵砷化合物在壓力環(huán)境下的超導(dǎo)臨界溫度可進(jìn)一步提升至55K。此后，研究人員又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了多種含有鐵砷層的類似超導(dǎo)材料，這類材料被統(tǒng)稱為鐵基超導(dǎo)體。1、第一個(gè)鐵基高溫超導(dǎo)材料Belle Dum文，eliza譯LaOFeAs的晶體結(jié)構(gòu)，鐵原子（紅色），砷原子（黃色），氧原子（綠色），鑭原子（灰色）。(Courtesy: G F Chen, Chinese Academy of Sciences).2008 年 1 月初, 細(xì)野秀雄小組發(fā)現(xiàn)在鐵基氧磷族元素化合物 LaOFeAs 中, 將部分氧以摻雜的方式用氟取代, 可使 LaO1xF

6、xFeAs 的臨界溫度達(dá)到26 K,這一突破性進(jìn)展開(kāi)啟了科學(xué)界新一輪的高溫超導(dǎo)研究熱潮. 我國(guó)科研機(jī)構(gòu), 特別是中國(guó)科學(xué)院, 迅速開(kāi)展了卓有成效的研究工作, 在新一輪的高溫超導(dǎo)研究熱潮中占據(jù)了重要位置: 3 月初, 中國(guó)科學(xué)院物理研究所王楠林研究員領(lǐng)導(dǎo)的研究小組 ( 以下簡(jiǎn)稱 “ 王楠林小組 ”) 很快就合成了LaO0.9F0.1-FeAs 多晶樣品, 并測(cè)量了基本物理性質(zhì)。3 月中旬, 中國(guó)科學(xué)院物理研究所聞?；⒀芯繂T領(lǐng)導(dǎo)的研究小組(以下簡(jiǎn)稱“聞海虎小組”)成功合成出第一種空穴摻雜型鐵基超導(dǎo)材料 La1xSrxOfeAs; 3月25 日和 3 月 26 日, 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)陳仙輝教授領(lǐng)導(dǎo)的

7、研究小組(以下簡(jiǎn)稱“陳仙輝小組”)和中國(guó)科學(xué)院物理研究所王楠林小組分別獨(dú)立發(fā)現(xiàn)臨界溫度超過(guò)40 K的超導(dǎo)體; 3月29日, 中國(guó)科學(xué)院物理研究所趙忠賢院士領(lǐng)導(dǎo)的小組(以下簡(jiǎn)稱“趙忠賢小組”)發(fā)現(xiàn) PrO1xFxFeAs 的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度可達(dá) 52 K. 4 月中旬, 該小組又先后發(fā)現(xiàn)在壓力環(huán)境下合成的SmO1xFxFeAs和 REFeAsO1超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度進(jìn)一步升至 55 K 等. 此外, 研究人員也在不斷探索新型鐵基超導(dǎo)材料的應(yīng)用. 4 月下旬, 中國(guó)科學(xué)院電工研究所應(yīng)用超導(dǎo)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室馬衍偉研究員領(lǐng)帶的研究小組(以下簡(jiǎn)稱“馬衍偉小組”)率先成功研制出超導(dǎo)起始轉(zhuǎn)變溫度達(dá) 25 K 的 LaO1xF

8、xFeAs 線材。 在此基礎(chǔ)上, 該小組與聞海虎小組合作又制備出超導(dǎo)起始轉(zhuǎn)變溫度高達(dá)52 K的 SmO1xFxFeAs線材. 另?yè)?jù)報(bào)道, 細(xì)野秀雄小組已經(jīng)在新型鐵基超導(dǎo)薄膜制作上取得初步成功. 目前, 根據(jù)母體化合物的組成比和晶體結(jié)構(gòu),新型鐵基超導(dǎo)材料大致可以分為以下四大體系: (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; (2) “122”體系, 成員包括 AFe2As2 (A = Ba, Sr, K, Cs, Ca, Eu)等;

9、 (3) “111”體系, 成員包括 AfeAs (A = Li, Na)等; (4) “11”體系, 成員包括 FeSe(Te)等前三個(gè)均是FeAs四面體為基本單元形成的超導(dǎo)體系，最后一個(gè)則不含As元素，是由FeTe或FeSe四面體構(gòu)成基本結(jié)構(gòu)單元。在已經(jīng)知道的1111和122體系，其沒(méi)有摻雜的母體均會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)相變和反鐵磁自旋密度波（SDW）相變，取決于層間耦合的強(qiáng)弱，結(jié)構(gòu)相變和磁相變可同時(shí)發(fā)生（如122）也可先后發(fā)生（如1111）。雖然第一性原理計(jì)算表明111體系與1111和122體系的電子結(jié)構(gòu)極為類似，但先前在沒(méi)有摻雜的111體系多晶樣品開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)研究從未發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)或磁相變，使得FeAs為

10、基的母體是否一定具有SDW基態(tài)成為疑問(wèn)。課題組的陳根富研究員率先在111體系生長(zhǎng)出接近化學(xué)計(jì)量的單晶樣品，通過(guò)輸運(yùn)和熱力學(xué)測(cè)量發(fā)現(xiàn)存在多個(gè)相變，包括52K和41K會(huì)發(fā)生兩個(gè)相變，23K以下體系進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)。他們的研究表明，52K和41K發(fā)生的兩個(gè)相變應(yīng)分別對(duì)應(yīng)于結(jié)構(gòu)和SDW相變，而很低的超導(dǎo)成分則是由于樣品偏離化學(xué)計(jì)量的摻雜引起【Phys. Rev. Lett. 102, 227004 (2009)】。他們隨即與戴鵬程領(lǐng)導(dǎo)的中子散射組合作，證實(shí)了52K和41K分別發(fā)生結(jié)構(gòu)和磁相變，實(shí)驗(yàn)定出的SDW態(tài)磁結(jié)構(gòu)與1111或122體系相同（Phys. Rev. B, Rapid Communicatio

11、ns, in-press (2009)）。不含As的11結(jié)構(gòu)體系則十分特別，雖然計(jì)算表明其能帶結(jié)構(gòu)與FeAs為基的其它體系完全類似，但中子散射實(shí)驗(yàn)卻發(fā)現(xiàn)其低溫下磁有序相的反鐵磁波矢是在（，0），而不是連接電子和空穴費(fèi)米面的波矢（，）。這使得費(fèi)米面疊套驅(qū)動(dòng)的SDW圖像對(duì)該體系很難適用。課題組的陳根富等生長(zhǎng)了該體系的FeTe母體和Se摻雜的超導(dǎo)單晶樣品，通過(guò)多種實(shí)驗(yàn)手段揭示母體的性質(zhì)與FeAs為基的母體有很大不同，高溫下幾乎沒(méi)有自由電子的Drude響應(yīng)，反映出準(zhǔn)粒子壽命很短，電子輸運(yùn)是非相干的，而低溫的磁有序態(tài)電荷激發(fā)譜上并沒(méi)有能隙打開(kāi)，這與不是費(fèi)米面疊套驅(qū)動(dòng)的SDW相一致。實(shí)驗(yàn)表明該體系中額外F

12、e離子導(dǎo)致很強(qiáng)的雜質(zhì)散射效應(yīng)?！驹摴ぷ靼l(fā)表在Phys. Rev. B 79，140509 (Rapid Communications)(2009)】。課題組隨即與Princeton大學(xué)的Hasan教授小組合作，用角分辨光電子能譜對(duì)其電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)致研究，同樣沒(méi)有發(fā)現(xiàn)能隙打開(kāi)，實(shí)驗(yàn)還直接揭示不存在與反鐵磁波矢（，0）相對(duì)應(yīng)的明顯費(fèi)米面疊套效應(yīng)【（Phys. Rev. Lett. 103, in-press (2009)】。上述工作表明11體系FeTe的反鐵磁有序與FeAs體系有較大不同，局域磁矩的交換作用對(duì)其量子磁性扮演了更重要角色。在這近一年的鐵基超導(dǎo)體研究熱潮中 , 一大批具有不同結(jié)構(gòu)的新型

13、鐵基超導(dǎo)材料被發(fā)現(xiàn) , 它們的物理性質(zhì)在被廣泛地研究。下面首先從材料晶體結(jié)構(gòu)差異的角度綜合介紹目前發(fā)現(xiàn)的鐵基超導(dǎo)體。2、鐵基超導(dǎo)材料介紹上圖 為 LaFeAsO晶體結(jié)構(gòu)示意圖和氟摻雜 LaFeAs O電阻率及摩爾磁化率隨溫度變化曲線。最初發(fā)現(xiàn)的鐵基高溫超導(dǎo)材料 LaFeAsO 屬于 ZrCuSi As結(jié)構(gòu) , 此類體系的空間群為 P4 /nmm, 具有四方相層狀結(jié)構(gòu) , 如圖 2a所示。從 c軸方向看是由 (LaO)+層和 ( FeAs)-層交替構(gòu)成的 , 一個(gè)單胞中有兩個(gè) LaOFeAs分子。這類材料的研究歷史可以追溯到 1974年, 早在 1995年 , 德國(guó)的一個(gè)研究小組就報(bào)道合成了一系

14、列包括 LaFeAs O在內(nèi)的四元磷氧化物 L nM PnO (Ln =La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy; M = Mn, Fe, Co, Ni ; Pn = P,As)。但在這類體系中最早發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)的還是日本Hosono小組 , 他們通過(guò)氟元素部分替代氧首先在 LaFe2PO中發(fā)現(xiàn) 10 K的超導(dǎo)電性, 但由于其較低的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度 , 并沒(méi)有引起人們廣泛關(guān)注 , 直到 2008年 2月 ,Tc = 26 K的 LaFeAs O1 - x Fx 被發(fā)現(xiàn)。隨后 , 通過(guò)用其他稀土元素 (包括從 Ce到 Sm所有輕稀土元素 , 以及 Gd,Tb, Dy等重稀土元素

15、 )完全替換掉 La, 均能得到 Tc 在5056 K的超導(dǎo)體。后來(lái)趙忠賢和任治安等人意識(shí)到此類超導(dǎo)體中可能存在氧缺位 , 這種氧缺位可能跟氟摻雜一樣引入電子導(dǎo)致超導(dǎo) , 他們迅速采用高壓技術(shù)合成了無(wú)氟缺氧的電子型 LnFeAsO1 - x , 也能達(dá)到55 K左右的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度。通過(guò)在這類化合物中引入電子導(dǎo)致超導(dǎo)的例子還有浙江大學(xué)許祝安和曹光漢小組做出的 Gd1 - x Thx FeAs O和 Tb1 - x Thx FeAs 超導(dǎo)體。值得一提的是在鐵基材料中由空穴摻雜導(dǎo)致超導(dǎo)首, 他們通過(guò)在 LaFeAsO中用 + 2價(jià)的 Sr離子部分取代 + 3價(jià)的 La離子在 La1 - x Sr x

16、 FeAsO中發(fā)現(xiàn)了 25 K的超導(dǎo)電 性。沿 著這 個(gè)思路 , Nd1 - xSr x FeAs O和 Pr 1 - x Sr x FeAsO等空穴型鐵基超導(dǎo)體也逐漸被發(fā)現(xiàn)。通過(guò)以上基于 LnM PnO母體材料的鐵基超導(dǎo)體 (又稱為 FeAs - 1111相結(jié)構(gòu) )的發(fā)現(xiàn) , 人們逐漸認(rèn)識(shí)到 FeAs層對(duì)于高溫超導(dǎo)電性的重要性 (與此類似的具有 FeP, NiP, Ni As層的超導(dǎo)體往往不具備 10 K以上的超導(dǎo)電性 ) , 它可以類比于銅氧化物中的導(dǎo)電層 CuO面 , 由此人們展開(kāi)了基于 FeAs層構(gòu)建新超導(dǎo)材料的探索。在銅氧化物高溫超導(dǎo)體中 , 具有多層銅氧面的超導(dǎo)體往往具有更高的臨界

17、轉(zhuǎn)變溫度 Tc。因此人們也在努力合成具有多層 FeAs面的超導(dǎo)體。美國(guó)普林斯頓大學(xué) Cava R J小組報(bào)道了基于 NiP層的多層超導(dǎo)體La3Ni 4 P4O2 , 但 Tc 只有 212 K, 似乎用 FeAs層來(lái)取代 NiP層無(wú)法形成類似的結(jié)構(gòu)。近期中國(guó)科學(xué)院物理研究所聞?；⑿〗M報(bào)道了一種具有 FeAs層的多層化合物 Sr 3 Sc2O5 Fe2As , 但目前為止還沒(méi)有在此基礎(chǔ)上摻雜出超導(dǎo)體的報(bào)道 , 因此鐵基多層超導(dǎo)體的探索還任重而道遠(yuǎn).中國(guó)科技大學(xué)物理系陳仙輝教授的實(shí)驗(yàn)組，在相關(guān)結(jié)構(gòu)的氟摻雜的釤氧鐵砷化合物中發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)電性。這一發(fā)現(xiàn)屬國(guó)際上最先報(bào)告。研究論文發(fā)表在5月25日自然雜志上

18、。陳仙輝小組通過(guò)電阻率和磁化率測(cè)量表明，該體系的超導(dǎo)臨界溫度已達(dá)到了43開(kāi)爾文（攝氏零下230.15度）。該材料為除銅氧化物高溫超導(dǎo)體之外第一個(gè)臨界溫度超過(guò)40開(kāi)爾文的非銅氧化物超導(dǎo)體，突破了“麥克米蘭極限” （麥克米蘭曾經(jīng)斷定，傳統(tǒng)超導(dǎo)臨界溫度最高只能達(dá)到39開(kāi)）。隨后，陳仙輝的實(shí)驗(yàn)組還發(fā)現(xiàn)該體系最高臨界轉(zhuǎn)變溫度達(dá)到54開(kāi)爾文。 繼陳仙輝小組之后，中國(guó)科學(xué)院物理研究所王楠林小組獨(dú)立地報(bào)道了氟摻雜的鈰氧鐵砷化合物在41開(kāi)爾文表現(xiàn)超導(dǎo)電性；該所趙忠賢領(lǐng)導(dǎo)的科研小組將該類鐵砷化合物的超導(dǎo)臨界溫度提升至55開(kāi)爾文。對(duì)中國(guó)幾個(gè)研究小組的重要發(fā)現(xiàn)，美國(guó)著名雜志科學(xué)發(fā)表評(píng)述文章，稱“鐵基超導(dǎo)材料將中國(guó)物理

19、學(xué)家推向前沿”。3、高溫鐵基超導(dǎo)體超導(dǎo)機(jī)理研究進(jìn)展近期探索鐵基超導(dǎo)新材料方面的主要工作是氟基系列母體 AEFeAsF (AE = divalentmetals : Ca, Sr, Eu)的發(fā)現(xiàn)。2008年 10月上旬日本 Hosono小組報(bào)道了 22 K的超導(dǎo)體 CaFe1 - x CoxAsF。與此同時(shí)中國(guó)科學(xué)院物理研究所聞海虎小組也獨(dú)立報(bào)道了 AEFeAsF系列母體,并通過(guò)稀土元素在 AE位上的取代迅速合成了一系列新的具有高臨界溫度的鐵基超導(dǎo)體。例如: Tc = 32 K的Sr 1 - xLax FeAsF以及 Tc = 56 K的 Ca1 - x Ndx FeAsF,如圖 5所示。氟基系

20、列母體具有前面介紹過(guò)的 ZrCuSi As結(jié)構(gòu) , 與 LnFeAs O系列的區(qū)別在于用具有相同價(jià)態(tài)的(AEF)-層取代了 (LnO)-層。去年中科院物理所極端條件實(shí)驗(yàn)室丁洪小組、王楠林小組和日本東北大學(xué)高橋隆小組合作利用角分辨光電子能譜技術(shù)，發(fā)現(xiàn)了鐵基超導(dǎo)體中依賴費(fèi)米面的無(wú)節(jié)點(diǎn)的超導(dǎo)能隙 【 EuroPhysics Letters 83, 47001 (2008) 】，在此后的一年多來(lái)，丁洪小組和多個(gè)研究小組合作對(duì)鐵基超導(dǎo)體進(jìn)行了更深入的研究，取得了一系列重要的研究成果，其中最突出的是用多個(gè)有說(shuō)服力的實(shí)驗(yàn)結(jié)果揭示了反鐵磁波矢相連的帶間散射 (antiferromagnetic interba

21、nd scatterings) 和費(fèi)米面近似嵌套 (Fermi surface quasi-nesting) 是導(dǎo)致鐵基超導(dǎo)的最根本原因。 在最佳空穴摻雜的Ba0.6K0.4Fe2As2樣品中，他們發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)配對(duì)強(qiáng)度隨著兩個(gè)費(fèi)米面，即內(nèi)部的空穴型費(fèi)米面（）和電子型費(fèi)米面的近似嵌套而增加 (2/Tc7)，但外部非嵌套的空穴型費(fèi)米面（）的配對(duì)強(qiáng)度卻相對(duì)較弱(2/Tc3.6)【 EuroPhysics Letters 85, 67002 (2009) 】。然而在最佳電子摻雜的BaFe1.85Co0.15As2樣品中，由于電子摻雜費(fèi)米面與空穴摻雜樣品有相反的變化趨勢(shì)，費(fèi)米面近似嵌套條件從變到了, 從而費(fèi)

22、米面上的配對(duì)強(qiáng)度也變大了（2/Tc6)，這表明費(fèi)米面近似嵌套和超導(dǎo)配對(duì)有著密切的聯(lián)系【 Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA 106, 7330 (2009) 】。 緊接著他們又對(duì)過(guò)空穴摻雜的KFe2As2(Tc=3K) 樣品進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)和Ba0.6K0.4Fe2As2 (Tc = 37K) 相比,該樣品的兩個(gè)電子型費(fèi)米面由于過(guò)量的空穴摻雜而完全消失，表明通過(guò)反鐵磁波矢相連的帶間散射的存在與否直接影響到超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的高低【 Physical Review Letters 103, 047002 (2009)】。

23、Physics Today的資深編輯Charles Day 在2009年8月為鐵基超導(dǎo)體撰寫(xiě)的專題文章中將此成果作為超導(dǎo)機(jī)制的重要實(shí)驗(yàn)證據(jù)進(jìn)行了報(bào)道。與此相對(duì)應(yīng)，在過(guò)摻雜的電子型非超導(dǎo)鐵基樣品 BaFe1.7Co0.3As2 (Tc = 0K) 中，他們發(fā)現(xiàn)該樣品的兩個(gè)空穴型費(fèi)米面消失，這進(jìn)一步表明了由反鐵磁波矢連接的空穴和電子型費(fèi)米面的共存對(duì)于鐵基超導(dǎo)電性的存在具有決定性的作用【 New Journal of Physics 11,025020 (2009) 】。 他們還發(fā)現(xiàn)Ba0.6K0.4Fe2As2 樣品在25meV處有個(gè)能帶色散反常，該反常結(jié)構(gòu)在溫度高于超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度后基本消失。此色散

24、彎折在動(dòng)量空間中的位置能夠被反鐵磁波矢相連。該結(jié)果表明該模式以及鐵基超導(dǎo)體中的超導(dǎo)配對(duì)來(lái)源于反鐵磁漲落，并支持反相位s-波配對(duì)對(duì)稱性【 Physical Review Letters 102, 047003 (2009) 】。對(duì)開(kāi)展新材料物理性質(zhì)的研究來(lái)說(shuō) , 高質(zhì)量單晶體的獲得是很重要的。對(duì)于 FeAs - 1111結(jié)構(gòu)材料 , 由于其較高的熔點(diǎn) (高于 1 800 )以及氟化物的易揮發(fā)性 , 單晶生長(zhǎng)是非常困難的 , 目前常壓下只有用 NaCl作為助熔劑生長(zhǎng) NdFeA sO1 - x Fx 微小單晶 (大小 2070m)的報(bào)道, 采用高壓合成的方法 , 也僅可以生長(zhǎng)出 300m左右大小的

25、單晶。中國(guó)科學(xué)院物理研究所聞海虎小組首先在常壓下生長(zhǎng)出 Nd2FeAsO1 - x Fx 微小單晶 , 并與物理研究所微加工實(shí)驗(yàn)室合作采用聚焦離子束刻蝕 ( F1 I 1B1)的方法 , 在此單晶上做上電極 , 并進(jìn)行了一系列各向異性度和輸運(yùn)性質(zhì)的測(cè)量。但總體來(lái)說(shuō) , 由于單晶尺寸的限制 , 在FeAs - 1111結(jié)構(gòu)中開(kāi)展的單晶體物理研究還比較有限。與此對(duì)比的是在 FeAs - 122相材料中由于其性質(zhì)類似于合金 , 很容易利用 Sn或 FeAs作為助熔劑生長(zhǎng)出厘米量級(jí)的單晶體。其中后者是目前為止被廣泛承認(rèn)的生長(zhǎng) FeAs - 122超導(dǎo)單晶的最好助熔劑 (可以避免 Sn引入的異 質(zhì)污 染

26、 )。此外 對(duì)于 LiFeAs,NaFeAs, FeSe1 - x Tex 等材料也有部分有關(guān)單晶的報(bào)道 ,大多采用類似的助熔劑方法。近期 , BaFe2 - x CoxAs 2 單晶由于生長(zhǎng)方法簡(jiǎn)單 , 單晶性質(zhì)均勻穩(wěn)定 , 并且容易生長(zhǎng)出從欠摻雜到過(guò)摻雜的系列樣品而逐漸成為研究熱點(diǎn)。4、鐵基超導(dǎo)體的特殊物性及應(yīng)用前景鐵基超導(dǎo)材料的發(fā)現(xiàn)吸引了凝聚態(tài)物理學(xué)家廣泛的研究興趣。除了高的超導(dǎo)臨界轉(zhuǎn)變溫度 , 它還表現(xiàn)出了很多奇異的物理性質(zhì) , 諸如: 超導(dǎo)與磁性競(jìng)爭(zhēng)共存,多能帶和多能隙, 可能存在的非常規(guī)超導(dǎo)配對(duì)機(jī)制以及量子臨界行為。與最近 20多年來(lái)被廣泛研究的銅氧化物相比 , 鐵基超導(dǎo)體具有非常

27、高的上臨界場(chǎng) , 較低的各向異性 , 同時(shí)具有較高的臨界電流密度。而且通過(guò)測(cè)量磁滯回線 , 在 Ba016 K014 Fe2As 2 單晶中發(fā)現(xiàn)了類似于 YBCO的魚(yú)尾效應(yīng) (第二峰 ), 這些性質(zhì)都預(yù)示了鐵基超導(dǎo)材料具有很大的潛在應(yīng)用價(jià)值。近期 ,中國(guó)科學(xué)院電工所馬衍偉小組已經(jīng)成功地使用粉末套管法 ( Powder2in2tube) 做出轉(zhuǎn)變溫度達(dá) 25 K的 LaFeAs O1 - xFx線材。超導(dǎo)是物理世界中最奇妙的現(xiàn)象之一。正常情況下，電子在金屬中運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)因?yàn)榻饘倬Ц竦牟煌暾裕ㄈ缛毕莼螂s質(zhì)等）而發(fā)生彈跳損耗能量，即有電阻。而超導(dǎo)狀態(tài)下，電子能毫無(wú)羈絆地前行。這是因?yàn)楫?dāng)?shù)陀谀硞€(gè)特定溫

28、度時(shí)，電子即成對(duì)，這時(shí)金屬要想阻礙電子運(yùn)動(dòng)，就需要先拆散電子對(duì)，而低于某個(gè)溫度時(shí)，能量就會(huì)不足以拆散電子對(duì)，因此電子對(duì)就能流暢運(yùn)動(dòng)。通常的低溫超導(dǎo)材料中，電子是通過(guò)晶格各結(jié)點(diǎn)上的正離子振動(dòng)而結(jié)合在一起的。但大多數(shù)的物理學(xué)家都認(rèn)為，這一電子對(duì)結(jié)合機(jī)制并不能解釋臨界溫度最高可達(dá)138開(kāi)爾文（零下135.15攝氏度）的銅基材料超導(dǎo)現(xiàn)象超導(dǎo)態(tài)中材料電阻為零，這對(duì)于眾多應(yīng)用科技而言具有巨大的誘惑力。一般超導(dǎo)合金在接近絕對(duì)零度時(shí)電阻為零，但由于制冷的原因在應(yīng)用上遇到障礙，而高溫超導(dǎo)是指材料在某個(gè)相對(duì)較高的臨界溫度，電阻突降至零，有更廣闊的應(yīng)用前景。1986年，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了銅氧化物高溫超導(dǎo)體，物理所趙忠賢

29、院士所領(lǐng)導(dǎo)的研究小組曾作出杰出貢獻(xiàn)，引起了全球物理學(xué)家的關(guān)注。自此，科學(xué)家們?cè)诓粩嗟貙ふ倚碌母邷爻瑢?dǎo)材料，并嘗試揭示其中的物理機(jī)理。 東京工業(yè)大學(xué)的Hideo Hosono在今年2月最先發(fā)現(xiàn)的新型超導(dǎo)材料是一種氟摻雜鑭氧鐵砷化合物，它在臨界溫度26K（零下247.15攝氏度）時(shí)即具有超導(dǎo)特性，這一消息讓全世界振奮。此前，科學(xué)家知道的唯一一類高溫超導(dǎo)材料就是銅氧化物。自2007年12月開(kāi)始，中科院物理所陳根富博士已投入到鑭氧鐵砷非摻雜單晶體的制備中，他們?cè)谌毡究茖W(xué)家宣布結(jié)果后一周內(nèi)實(shí)現(xiàn)了超導(dǎo)并測(cè)量了基本物理性質(zhì)。幾乎與此同時(shí)，物理所聞?；⒀芯拷M通過(guò)在鑭氧鐵砷材料中用二價(jià)金屬Sr替換三價(jià)的La，發(fā)

30、現(xiàn)有25K以上的超導(dǎo)電性。3月25日和3月26日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)陳仙輝研究組和物理所王楠林研究組分別獨(dú)立發(fā)現(xiàn)超過(guò)40K的超導(dǎo)體，突破麥克米蘭極限（麥克米蘭曾經(jīng)斷定，傳統(tǒng)超導(dǎo)臨界溫度最高只能達(dá)到39K，被稱為麥克米蘭極限），證實(shí)該類超導(dǎo)體為非傳統(tǒng)超導(dǎo)體。3月29日，趙忠賢院士領(lǐng)導(dǎo)的小組發(fā)現(xiàn)摻氟鐠氧鐵砷化合物的超導(dǎo)臨界溫度可達(dá)52K，4月初，該小組又發(fā)現(xiàn)在壓力環(huán)境下合成的無(wú)氟缺氧釤氧鐵砷化合物，其超導(dǎo)臨界溫度可進(jìn)一步提升至55K。5月2日，國(guó)際物理學(xué)界的重要期刊今日物理對(duì)鐵基新超導(dǎo)體的研究進(jìn)展進(jìn)行了更詳細(xì)的評(píng)述，分析了鐵基超導(dǎo)材料和銅氧化物超導(dǎo)材料的異同，并指出了該項(xiàng)研究對(duì)高溫超導(dǎo)研究的重要意義

31、。美國(guó)普林斯頓大學(xué)的理論物理學(xué)家、諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者Philip Anderson指出：“如果新超導(dǎo)體的工作機(jī)制與銅氧化物超導(dǎo)體不一樣，那么其意義可能更加重大。如果它真的是一種全新的機(jī)制，上帝才知道它將會(huì)走到何處?！敝锌圃涸菏坑诘摬](méi)有直接參與該項(xiàng)研究，但他在接受科學(xué)時(shí)報(bào)采訪時(shí)評(píng)價(jià)說(shuō)：“中國(guó)科學(xué)家的這項(xiàng)研究之所以在世界范圍內(nèi)引起了廣泛關(guān)注，是因?yàn)檫@不是孤立的成果，而是短時(shí)間內(nèi)取得了一系列的成就，這是國(guó)家多年來(lái)對(duì)科學(xué)長(zhǎng)期支持的結(jié)果?！痹谶@一輪關(guān)于鐵基超導(dǎo)體的研究中，中國(guó)物理學(xué)家占據(jù)了非常重要的位置，主要研究力量里的4個(gè)研究小組中，3個(gè)來(lái)自中科院物理研究所暨北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，另外一個(gè)小組

32、來(lái)自中國(guó)科技大學(xué)。科學(xué)雜志評(píng)論說(shuō)：“許多科學(xué)家評(píng)論，中國(guó)如洪流般不斷涌現(xiàn)的研究結(jié)果標(biāo)志著在凝聚態(tài)物理領(lǐng)域，中國(guó)已經(jīng)成為一個(gè)強(qiáng)國(guó)。”美國(guó)佛羅里達(dá)大學(xué)理論物理學(xué)家Peter Hirschfeld說(shuō)：“一個(gè)或許本不該讓我驚訝的事實(shí)就是，居然有如此多的高質(zhì)量文章來(lái)自北京，他們確確實(shí)實(shí)已進(jìn)入了這個(gè)行列?！苯衲陰孜恢袊?guó)科學(xué)家有了新發(fā)現(xiàn)。3月25日，中國(guó)科技大學(xué)陳仙輝領(lǐng)導(dǎo)的科研小組報(bào)告說(shuō)：氟摻雜釤氧鐵砷化合物在臨界溫度43開(kāi)爾文（零下230.15攝氏度）時(shí)變成超導(dǎo)體。3天后，中科院趙忠賢小組報(bào)告，氟摻雜鐠氧鐵砷化合物的超導(dǎo)臨界溫度可達(dá)52開(kāi)爾文；假如施以壓力，其超導(dǎo)臨界溫度可進(jìn)一步提升至55開(kāi)爾文。此外，中

33、科院聞?；⑿〗M報(bào)告說(shuō)，鍶摻雜鑭氧鐵砷化合物的超導(dǎo)臨界溫度為25開(kāi)爾文。5月25日出版的自然上。2008年3月25日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)陳仙輝教授小組在國(guó)際上最先報(bào)道了在氟摻雜的釤氧鐵砷化合物中發(fā)現(xiàn)高于40開(kāi)爾文的超導(dǎo)電性（43開(kāi)爾文）。該材料為第一個(gè)臨界溫度超過(guò)40開(kāi)爾文的非銅氧化物超導(dǎo)體，突破了麥克米蘭極限（麥克米蘭曾經(jīng)斷言，傳統(tǒng)超導(dǎo)臨界溫度最高只能達(dá)到39開(kāi)爾文，被稱為麥克米蘭極限），高于40開(kāi)爾文的臨界轉(zhuǎn)變溫度有力地說(shuō)明了該體系屬于非傳統(tǒng)高溫超導(dǎo)體。該工作發(fā)表在今年6月5日的英國(guó)自然雜志上。自然雜志審稿人對(duì)該工作給出了高度評(píng)價(jià):“這是一篇堅(jiān)實(shí)可靠的論文，開(kāi)辟了氟摻雜ROFeAs化合物的領(lǐng)域

34、。這一工作表明了超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度（在常壓下）高于40開(kāi)爾文。這項(xiàng)工作是堅(jiān)實(shí)可靠的，有助于該領(lǐng)域基礎(chǔ)的創(chuàng)建。”Nature Chemistry、Nature China和Asia Materials將這一工作作為亮點(diǎn)進(jìn)行了介紹和報(bào)道。隨后，陳仙輝教授小組進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)該體系臨界轉(zhuǎn)變溫度可達(dá)到54開(kāi)爾文并且提出了該體系的電子相圖。與此同時(shí)，陳仙輝教授小組還與國(guó)際上眾多知名研究小組就關(guān)于鐵基超導(dǎo)體的機(jī)理開(kāi)展了廣泛的合作研究。陳仙輝教授研究小組通過(guò)電阻率和磁化率測(cè)量表明，該體系的超導(dǎo)臨界溫度已達(dá)到了43K。該材料是除銅氧化物高溫超導(dǎo)體之外第一個(gè)臨界溫度超過(guò)40K的非銅氧化物超導(dǎo)體，突破了“麥克米蘭極限”(麥克

35、米蘭曾經(jīng)斷定，傳統(tǒng)超導(dǎo)臨界溫度最高只能達(dá)到39K，被稱為麥克米蘭極限)。而高于40K的臨界轉(zhuǎn)變溫度，也有力地說(shuō)明了該體系是一個(gè)非傳統(tǒng)的高溫超導(dǎo)體，從而使這類鐵基超導(dǎo)體引起全世界科學(xué)家的關(guān)注。自然雜志的審稿人對(duì)該工作給予了高度評(píng)價(jià)，認(rèn)為“這是一篇堅(jiān)實(shí)可靠的論文，開(kāi)辟了氟摻雜ROFeAs(鐵基)化合物的領(lǐng)域。這項(xiàng)工作表明了鐵基材料的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度在常壓下可高于40K，這有助于奠定該領(lǐng)域的基礎(chǔ)?！?超導(dǎo)就是當(dāng)溫度低于超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度（Tc）時(shí)材料中電阻完全消失的現(xiàn)象。當(dāng)電子克服電子間的庫(kù)侖斥力并形成“庫(kù)珀對(duì)”（Cooper pairs）后電子將在材料中自由地移動(dòng)，超導(dǎo)現(xiàn)象就出現(xiàn)了。根據(jù)低溫超導(dǎo)的BCS理論

36、（Bardeen-Cooper- ShriefferTheory），將電子束縛在一起的力源自電子與材料中晶格振動(dòng)（即聲子）的相互作用。但是，BCS理論無(wú)法解釋1986年發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度高達(dá)138K的高溫超導(dǎo)體現(xiàn)象。這些“銅化合物”由無(wú)數(shù)平行的氧化銅平面組成。這些平面中，銅原子位于正方形的晶格上，而電荷（空穴）則位于氧位置上。每個(gè)銅原子都有一個(gè)未配對(duì)的電子，即銅具有磁矩或自旋，一些研究者相信，正是這些自旋間的耦合導(dǎo)致了材料中的超導(dǎo)電性。4.1、26K的超導(dǎo)體東京技術(shù)學(xué)院(Tokyo Institute of Technology)的Hideo Hosono及其同事發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)鐵基高溫超導(dǎo)材料。

37、在溫度為26K時(shí)，材料的電阻消失了。（J.Am.Chem.Soc.130 3296）這種晶體材料叫做鑭鐵砷氧（LaOFeAs），由鐵層和砷層中夾有鑭層和氧層組成同時(shí)還摻有氟離子。研究人員預(yù)期這種超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度為26K的材料在加壓的情況下，其臨界溫度會(huì)進(jìn)一步提高。4.2、不是聲子機(jī)制初步研究表明這種材料的超導(dǎo)機(jī)制不是聲子機(jī)制（BCS理論），而是與銅基高溫超導(dǎo)體類似。美國(guó)Rutgers大學(xué)的理論物理學(xué)家Kristjan Haule及其小組正在研究這一新材料。他說(shuō)：“一般人都認(rèn)為這種材料的超導(dǎo)電性應(yīng)該與低溫超導(dǎo)的聲子機(jī)制吻合。但是，我們的密度泛函計(jì)算 （density functional calcu

38、lations）表明，如果是聲子機(jī)制，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度至多在1K左右?！盚aule小組的計(jì)算表明：未摻雜的LaOFeAs在低溫下是一種非常差的金屬幾乎就是絕緣體（arXiv:0803.1279）。Haule告訴：“這是LaOFeAs不是聲子機(jī)制的另外一個(gè)有力證據(jù)，因?yàn)橐月曌訖C(jī)制的超導(dǎo)需要一個(gè)具有相干載流子的好的金屬態(tài)?！?.3、弱耦合理論Haule解釋說(shuō)，確實(shí)，這種差金屬態(tài)與弱摻雜的高溫超導(dǎo)體類似。根據(jù)他們的研究，這意味著弱耦合理論比如說(shuō)自旋漲落一種過(guò)去提出的（失敗的）用于解釋銅基超導(dǎo)的弱耦合理論，可能適于解釋LaOFeAs超導(dǎo)體。Hosono小組的初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果看來(lái)符合這一理論。這種新超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)

39、同時(shí)也說(shuō)明超導(dǎo)現(xiàn)象并不只是局限于發(fā)生在銅氧化物和其它一些鈾，鈰，钚的化合物中。雖然強(qiáng)磁場(chǎng)會(huì)破壞超導(dǎo)電性，但這個(gè)發(fā)現(xiàn)也說(shuō)明超導(dǎo)電性是可以存在于強(qiáng)磁性材料如鐵（當(dāng)鐵被其他適當(dāng)?shù)脑樱缟樗鼑┲械?。而且，通常在銅中可以忽略的電子的軌道性質(zhì)可能會(huì)發(fā)揮重要作用。在尋找更新、更好的鐵基超導(dǎo)材料實(shí)驗(yàn)進(jìn)行得如火如荼之時(shí)，理論學(xué)者們也沒(méi)有閑著。美國(guó)兩所高校的科學(xué)家聯(lián)合進(jìn)行的最新研究，提出了一項(xiàng)新理論，來(lái)解釋鐵基高溫超導(dǎo)現(xiàn)象中一些復(fù)雜的電、磁特性?！景l(fā)表在物理評(píng)論快報(bào)（PRL）上】。1986年首次發(fā)現(xiàn)的高溫超導(dǎo)現(xiàn)象是凝聚態(tài)物理中的一大未解之謎。2006年，有物理學(xué)家曾發(fā)現(xiàn)過(guò)一種鐵基超導(dǎo)材料，但它的臨界溫度只有

40、幾開(kāi)爾文。在2008年2月，一組日本物理學(xué)家首先發(fā)現(xiàn)了另一種臨界溫度高于20K的鐵基超導(dǎo)材料，隨后的3月4月，中國(guó)多個(gè)研究小組不斷在新組合的鐵基化合物中發(fā)現(xiàn)了高溫超導(dǎo)現(xiàn)象，獲得材料的臨界溫度也是越來(lái)越高，甚至超過(guò)了50K。而在這一浪潮之前，高溫超導(dǎo)現(xiàn)象只“可憐”地存在于一類銅氧化物銅酸鹽中。美國(guó)萊斯大學(xué)的理論物理學(xué)家斯其苗（Qimiao Si，CUSPEA86）表示，“鐵基超導(dǎo)為量子凝聚態(tài)領(lǐng)域帶來(lái)了巨大的刺激和振奮。20多年來(lái)，我們的認(rèn)識(shí)僅限于銅氧化物，因此，新的材料被寄予厚望能幫助我們理解高溫超導(dǎo)性的深層機(jī)制?！彼蛊涿绾兔绹?guó)羅格斯大學(xué)的理論學(xué)家Elihu Abrahams提出的新理論能夠解釋

41、銅酸鹽和鐵基超導(dǎo)材料的一些相似處和不同點(diǎn)。這兩類材料中的原子排列都能夠創(chuàng)造出一種“強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子系統(tǒng)”，其中電子以協(xié)調(diào)的方式相互作用，并且具有全體的行為。斯其苗和Abrahams提出，鐵基超導(dǎo)材料表現(xiàn)出一種“磁阻挫”（magnetic frustration）特性，特殊的原子排列抑制了鐵原子通過(guò)相互作用自發(fā)地磁有序化。這種阻挫效應(yīng)提高了磁量子漲落，這或許就是導(dǎo)致高溫超導(dǎo)的幕后原因。Abrahams表示，“這一切如何精確發(fā)生是強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子系統(tǒng)中最具挑戰(zhàn)性的問(wèn)題之一。不過(guò)即使我們不知道其中的精確機(jī)制，我們?nèi)匀荒軌蜃鞒鲆恍┮话阈缘?、關(guān)于鐵基超導(dǎo)材料的預(yù)測(cè)，同時(shí)，我們已經(jīng)提出了許多實(shí)驗(yàn)，來(lái)檢驗(yàn)這些預(yù)測(cè)。”據(jù)

42、悉，這些實(shí)驗(yàn)中包括一些特殊形式的電子光譜和自旋態(tài)。（科學(xué)網(wǎng) 任霄鵬/編譯）973計(jì)劃“超導(dǎo)材料科學(xué)及應(yīng)用中的基礎(chǔ)問(wèn)題研究”項(xiàng)目首席科學(xué)家、中科院物理研究所超導(dǎo)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室聞?；⒀芯繂T領(lǐng)導(dǎo)的小組通過(guò)在鑭氧鐵砷 (LaOFeAs) 材料中用二價(jià)金屬替換三價(jià)的La成功將空穴載流子引入系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)有25 K以上的超導(dǎo)電性。這是第一個(gè)在鐵基新超導(dǎo)材料中合成出空穴摻雜超導(dǎo)體的工作，具有廣泛和深遠(yuǎn)的意義。這個(gè)工作否定了日本研究人員2月18日在美國(guó)化學(xué)會(huì)志（JACS）上發(fā)表文章的斷言，即在該系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)的關(guān)鍵因素是電子型摻雜，而空穴摻雜不行。目前在空穴摻雜一邊發(fā)現(xiàn)25K以上的超導(dǎo)電性，將大大拓寬該類材料的探

43、索和研究范圍。此次突破為后期更高溫度超導(dǎo)體的研制、高溫超導(dǎo)機(jī)理科學(xué)問(wèn)題研究以及可能的應(yīng)用發(fā)展開(kāi)辟了新的領(lǐng)域。另外由于該材料本身的一些優(yōu)點(diǎn)較長(zhǎng)的相干長(zhǎng)度和較高的上臨界磁場(chǎng)，也會(huì)有一些潛在應(yīng)用。該研究成果已經(jīng)發(fā)表在歐洲物理快訊（Europhysics Letters）上，相關(guān)工作已經(jīng)獲得專利保護(hù)。該工作得到了科技部973計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金委和中國(guó)科學(xué)院創(chuàng)新工程項(xiàng)目的支持?！?73國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃網(wǎng)站】高溫超導(dǎo)電性一直是凝聚態(tài)物理學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究課題之一。作為強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子體系的銅氧化物高溫超導(dǎo)體，其豐富的物理性質(zhì)大大拓寬了人們對(duì)凝聚態(tài)物質(zhì)的理解，但是相關(guān)的機(jī)理卻是凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的難題之

44、一。最近發(fā)現(xiàn)的新型鐵基超導(dǎo)體，其層狀結(jié)構(gòu)與銅氧化物相似，而超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度可以高于50 K。對(duì)鐵基超導(dǎo)體的研究可以為高溫超導(dǎo)另辟蹊徑， 有助于揭示高溫超導(dǎo)的機(jī)理。超導(dǎo)能隙分布及能隙函數(shù)的配對(duì)對(duì)稱性是超導(dǎo)電性的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。通過(guò)探測(cè)鐵基超導(dǎo)體超流密度可以獲得其超導(dǎo)電子配對(duì)信息，對(duì)鐵基超導(dǎo)機(jī)理的研究具有重要意義，而這項(xiàng)研究在高質(zhì)量單晶樣品上尤為重要。中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室聞?；⒀芯繂T領(lǐng)導(dǎo)的SC1小組在鐵基超導(dǎo)體單晶樣品生長(zhǎng)中取得一系列重要進(jìn)展。他們用NaCl助熔劑方法生長(zhǎng)出尺寸在亞毫米的電子型FeAs-1111單晶并成功測(cè)量了單晶的輸運(yùn)性質(zhì) （Y. Jia et al., AP

45、L 93, 032503(2008)；P. Cheng, et al., Phys. Rev. B 78, 134508 (2008)），同時(shí)他們還用FeAs做助熔劑生長(zhǎng)出了厘米量級(jí)空穴型FeAs-122系列摻雜單晶，通過(guò)單晶的性能表征說(shuō)明它們具有很高的質(zhì)量（H. Q. Luo, et al., Supercond. Sci. Tec. 21，125014 （2008）； Z. S. Wang, et al., Phys. Rev. B 78, 140501 (2008)）。最近，該組成員任聰副研究員自主開(kāi)發(fā)出了一套基于半導(dǎo)體二維電子器Hall效應(yīng)的磁測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以研究微米尺寸材料的低溫

46、磁性。利用這一套系統(tǒng)，任聰、單磊和聞?；⒌妊芯咳藛T研究了最佳摻雜Ba0.6K0.4Fe2As2單晶（Tc=36K）的下臨界場(chǎng)Hc1的性質(zhì)，從而獲得其超流密度的信息。他們發(fā)現(xiàn)Hc1的溫度依賴關(guān)系具有明顯的兩能帶特征，可以用兩個(gè)各向同性的s波能隙函數(shù)擬合。擬合結(jié)果表明，具有較大能隙 （2b/kBTc = 6.0） 的能帶對(duì)超流密度的貢獻(xiàn)小，而較小能隙(2a/kBTc=1.3) 的能帶在超流中占據(jù)較大的權(quán)重。這一結(jié)果和第一性原理能帶計(jì)算的費(fèi)米面附近的能態(tài)密度權(quán)重是一致的。他們還指出，比較電子型FeAs-1111體系，BaKFe2As2零溫極限下的超流密度比較大，與Tc的關(guān)系明顯不滿足于已知的Uemu

47、ra標(biāo)度關(guān)系。該標(biāo)度關(guān)系在欠摻雜氧化物超導(dǎo)體中是滿足的。此結(jié)果說(shuō)明鐵基超導(dǎo)體和氧化物超導(dǎo)體在機(jī)理上可能有明顯區(qū)別。該工作已發(fā)表在物理評(píng)論快報(bào)（C. Ren et al., Physical Review Letter. 101, 257006 (2008)）。該研究工作得到中國(guó)科學(xué)院、國(guó)家自然科學(xué)基金委和科技部相關(guān)項(xiàng)目的資助。（中國(guó)科學(xué)院物理研究所） 5、 鐵基超導(dǎo)體研究系列最新進(jìn)展高溫超導(dǎo)電性是一個(gè)有巨大應(yīng)用前景和重要科學(xué)意義的研究課題。1986年銅氧化物高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)，在世界范圍內(nèi)掀起了研究和探索高溫超導(dǎo)電性的熱潮，時(shí)至今日依然是凝聚態(tài)物理領(lǐng)域內(nèi)最受關(guān)注的問(wèn)題之一。在研究銅氧化物高溫超導(dǎo)

48、電性的同時(shí)，人們也不斷努力尋找新的高溫超導(dǎo)材料。2006和2007年日本東京工業(yè)大學(xué)Hosono小組分別報(bào)道在LaOFeP和LaONiP材料中發(fā)現(xiàn)Tc27 K的超導(dǎo)電性。2008年2月下旬該小組報(bào)道對(duì)Fe基材料，如果用As置換P，以及部分F替代O，即合成La(O1-xFx)FeAs，則超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度可上升至26 K。這一突破性的進(jìn)展立刻引發(fā)了人們對(duì)這一體系的強(qiáng)烈關(guān)注。中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室王楠林小組與趙忠賢、聞?；?、方忠等小組一起在這一領(lǐng)域取得了國(guó)際同行矚目的系列重要貢獻(xiàn)。王楠林研究員領(lǐng)導(dǎo)的EX1組早在上述26 K超導(dǎo)體發(fā)現(xiàn)之前就已經(jīng)工作在Fe基超導(dǎo)系統(tǒng)。Hosono小組

49、06年和07年關(guān)于LaOFeP和LaONiP超導(dǎo)電性的兩篇文章分別發(fā)表在化學(xué)雜志，并不為超導(dǎo)領(lǐng)域研究工作者廣泛所知，但受到陳根富副研究員的注意。2007年10月陳根富博士由德國(guó)回國(guó)加入王楠林領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，他們討論過(guò)這兩篇文章之后決定生長(zhǎng)晶體，以研究其物理性質(zhì)。由于不希望與已經(jīng)報(bào)道的組分完全相同，他們用同族的As取代P。2007年12月初陳根富開(kāi)始LaOFeAs晶體生長(zhǎng)。之后多次得到片狀晶體，后來(lái)證實(shí)為FeAs，也得到部分LaAs，而不是期望的LaOFeAs。但這些工作的積累為后來(lái)的快速進(jìn)展打下了基礎(chǔ)。2008年2月下旬，當(dāng)?shù)弥狥-摻雜LaOFeAs多晶體在26K超導(dǎo)后，該小組的雒建林、陳根富

50、等主要研究人員和全組研究力量都投入到新Fe基超導(dǎo)體材料合成和性質(zhì)研究之中。他們立即改為合成多晶樣品，并很快得到Tc超過(guò)20K的LaO0.9F0.1-xFeAs超導(dǎo)樣品，之后迅速測(cè)量了新超導(dǎo)樣品的物理性質(zhì)，包括發(fā)現(xiàn)很高的上臨界場(chǎng)，用紅外光譜測(cè)定超導(dǎo)能隙大小，用Hall效應(yīng)測(cè)量確立很低濃度的電子型載流子等。這是在日本小組的突破之后，在國(guó)際上開(kāi)展的第一項(xiàng)物理研究工作。他們?cè)?月2號(hào)向“Phys. Rev. Lett.”投稿該項(xiàng)工作，3月3號(hào)把該項(xiàng)工作張貼在物理學(xué)家廣泛關(guān)注的arX網(wǎng)站，這也是該網(wǎng)站關(guān)于Fe基超導(dǎo)體的第一篇文章。該文章現(xiàn)已被“Phys. Rev. Lett.”接受發(fā)表（in-press

51、），見(jiàn)arXiv:0803.0128。之后該研究組對(duì)不同F(xiàn)含量的LaO1-xFxFeAs進(jìn)行了系統(tǒng)研究，他們與物理所方忠課題組合作從比熱、磁電阻、光電導(dǎo)譜測(cè)量和第一性原理計(jì)算首次提出LaOFaAs母體具有自旋密度波不穩(wěn)定性，指出超導(dǎo)和自旋密度波不穩(wěn)定性相互競(jìng)爭(zhēng)，并預(yù)言了自旋密度波狀態(tài)下的條紋反鐵磁序磁結(jié)構(gòu)。該項(xiàng)工作于3月24日張貼在arXiv:0803.3426，現(xiàn)已發(fā)表在“Europhys. Lett.”（83，27006，2008）。之后該研究組與美國(guó)戴鵬程小組合作進(jìn)行中子衍射實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了母體的反鐵磁自旋密度波基態(tài)和理論預(yù)言的基態(tài)磁結(jié)構(gòu)。另外發(fā)現(xiàn)電阻發(fā)生顯著下降溫度附近晶體結(jié)構(gòu)具有微弱畸變

52、，而長(zhǎng)程磁有序在稍低溫度形成?！?月4日張貼在arXiv:0804.0795，已發(fā)表在“Nature”（453，899，2008）】。他們用稀土離子Ce替代La合成CeO1-xFxFeAs體系，獨(dú)立發(fā)現(xiàn)超過(guò)40K轉(zhuǎn)變溫度的超導(dǎo)體系，這是Fe基系統(tǒng)超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度大幅度提高的最重要進(jìn)展之一。同時(shí)通過(guò)多種手段測(cè)量發(fā)現(xiàn)該體系也同樣存在超導(dǎo)電性與自旋密度波序的競(jìng)爭(zhēng)，由此他們指出與反鐵磁自旋密度波不穩(wěn)定性鄰近是該類材料尋找高溫超導(dǎo)體的要素之一。此外還發(fā)現(xiàn)Ce 4f電子在4K以下形成另外一套反鐵磁有序結(jié)構(gòu)，它們和超導(dǎo)可以共存，因而Ce 4f電子與超導(dǎo)的Fe 3d電子雜化很弱。【（該工作3月26日張貼在arXi

53、v:0803.3790，現(xiàn)已發(fā)表在“Phys. Rev. Lett.） ”（100，247002，2008）】。盡管鐵基超導(dǎo)體的研究進(jìn)展相當(dāng)快，但仍不足以挑戰(zhàn)20年前由銅氧化物（copper oxide或cuprate）超導(dǎo)體創(chuàng)造的最高超導(dǎo)溫度記錄，不過(guò)物理學(xué)家仍難以抑制興奮之情。他們認(rèn)為，該體系的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變最高溫度還大有潛力可挖；由于銅氧化物質(zhì)地很脆，制作用在電纜或磁體中的長(zhǎng)導(dǎo)線時(shí)需要更復(fù)雜的技術(shù)工藝，而鐵基材料在工業(yè)中的應(yīng)用或許容易一些，超導(dǎo)體里居然含有鐵元素，這一點(diǎn)非常罕見(jiàn)。鐵原子具有強(qiáng)磁性，而磁性通常會(huì)抑制超導(dǎo)電性。事實(shí)上，對(duì)超導(dǎo)體的界定除了零電阻，還有另外一條具備完全抗磁性，即磁場(chǎng)被屏

54、蔽在超導(dǎo)體之外，而不能穿透其內(nèi)部。當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度大到足以進(jìn)入超導(dǎo)體時(shí)，超導(dǎo)電性就會(huì)被破壞。鐵基超導(dǎo)體的超導(dǎo)電性為什么沒(méi)有被內(nèi)部鐵原子的磁性破壞，這還是一個(gè)未解之謎。6、銅氧化物超導(dǎo)體與鐵基超導(dǎo)體鐵基超導(dǎo)體最吸引人之處，或許在于它讓高溫超導(dǎo)體家族有了新成員，銅氧化物不再孤獨(dú)。研究者已經(jīng)被銅氧化物困擾了20多年，始終沒(méi)有找到一個(gè)理論能解釋它的所有性質(zhì)，尤其是超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度為什么如此之高?，F(xiàn)在，研究者或許可以比較銅氧化物和鐵基材料這兩種高溫超導(dǎo)體，找到關(guān)鍵線索，最終解開(kāi)高溫超導(dǎo)這個(gè)未解之謎。 層狀結(jié)構(gòu)，鐵基材料和銅氧化物最大的相似之處在于他們都是層狀結(jié)構(gòu)，但這種結(jié)構(gòu)是不是高溫超導(dǎo)的關(guān)鍵因素還有待證明。由于

55、鐵基材料和銅氧化物這兩類超導(dǎo)體在很多方面存在相似性，研究人員希望通過(guò)研究鐵基超導(dǎo)體找到線索，進(jìn)而探尋銅氧化物的超導(dǎo)機(jī)制。這兩種材料的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他所有已知超導(dǎo)體。它們都有各自的最佳摻雜濃度，即摻雜到某一濃度時(shí)，該體系的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度可以達(dá)到一個(gè)極大值，在此溫度以下該材料進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)，這個(gè)轉(zhuǎn)變溫度也被稱為臨界溫度（critical temperature）。而欠摻雜和過(guò)摻雜樣品的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度都低于最佳摻雜樣品，當(dāng)摻雜濃度逐漸遠(yuǎn)離最佳摻雜濃度時(shí)，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度逐漸降到絕對(duì)零度。換句話說(shuō)，如果樣品的摻雜濃度太低或太高，它都不會(huì)超導(dǎo)。 當(dāng)然，這兩種材料最大的相似性還在于結(jié)構(gòu)，銅氧化物和鐵基超導(dǎo)體

56、都由不同原子層相互交錯(cuò)堆積而成。銅氧化物的主要特征是銅氧（CuO2）層，相應(yīng)地，鐵基化合物也有由鐵和磷族元素構(gòu)成的原子層，在這些層中，鐵元素和元素周期表中氮元素那一列的元素，如磷、砷、銻等結(jié)合在一起。細(xì)野秀雄教授的研究組發(fā)現(xiàn)的26K超導(dǎo)體，就是由鑭氧（LaO）層和鐵砷（FeAs）層交錯(cuò)構(gòu)成。 如果把這兩種超導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)比作三明治，銅氧層和鐵砷層就是夾在三明治里的肉。物理學(xué)家認(rèn)為超導(dǎo)電性就源于這個(gè)夾心層。兩邊的“面包片”僅僅為夾心層提供額外的電子，或是從夾心層移走一些電子。往鑭氧鐵砷（LaOFeAs）摻雜了氟之后，氟就會(huì)取代部分氧原子，由于每個(gè)氟原子比此前的氧原子多出一個(gè)電子，這些額外電子就會(huì)

57、轉(zhuǎn)移到鐵砷層，進(jìn)而改變它的電學(xué)性質(zhì)。 沿垂直于層狀面的方向俯視，鐵砷層的原子仿佛被置于一個(gè)納米尺度的棋盤(pán)中；每個(gè)鐵原子占據(jù)一個(gè)黑方格，砷原子占據(jù)一個(gè)白方格。銅氧層的情形與此相似，不同之處在于，棋盤(pán)上只有一半的黑方格被銅原子占據(jù)。每個(gè)銅氧層基本上都是平的，即所有原子共面。與之相反，鐵砷層中的砷原子位于鐵原子的斜上方和斜下方，每個(gè)鐵原子周圍有4個(gè)砷原子，構(gòu)成一個(gè)四面體，砷原子位于四面體的頂點(diǎn)。究竟兩種材料結(jié)構(gòu)特點(diǎn)中的相同點(diǎn)更重要，還是不同點(diǎn)更重要，還有待考證。 銅氧化物超導(dǎo)體具有層狀結(jié)構(gòu)，這一特點(diǎn)使得它對(duì)沿層面?zhèn)鲗?dǎo)和垂直于層面?zhèn)鲗?dǎo)的超導(dǎo)電流有不同的響應(yīng)。銅氧化物超導(dǎo)體中，磁場(chǎng)對(duì)超導(dǎo)電流的影響取決于

58、磁場(chǎng)方向。當(dāng)磁場(chǎng)方向平行于銅氧面時(shí)，超導(dǎo)體可以承受很大的磁場(chǎng)且依然保持超導(dǎo)狀態(tài)，而當(dāng)磁場(chǎng)垂直于銅氧面時(shí)，一個(gè)較小的磁場(chǎng)就可以破壞超導(dǎo)電性。這一性質(zhì)在實(shí)際應(yīng)用中很重要，因?yàn)楹芏喑瑢?dǎo)體都用于產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)。銅氧化物的這一特性也被認(rèn)為是一條潛在線索，或許能夠用來(lái)解釋高溫超導(dǎo)的原理。 理論工作者非?？粗剡@些線索，他們花了20年時(shí)間，主要專注于發(fā)展一個(gè)理論，來(lái)解釋超導(dǎo)電性如何在一個(gè)銅氧層中產(chǎn)生。他們認(rèn)為銅氧化物的二維特性是一個(gè)很關(guān)鍵的因素。從理論來(lái)看，這種觀點(diǎn)是合理的，數(shù)學(xué)和物理中可以找到很多這樣的例子：一個(gè)二維體系的獨(dú)特性質(zhì)或現(xiàn)象到了三維情形就不再存在，或者變得相當(dāng)復(fù)雜。在銅氧化物超導(dǎo)體這個(gè)具體的例子中，

59、大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，銅氧層在整個(gè)化合物中的地位非常特殊。 對(duì)鐵基超導(dǎo)體最早的一些研究表明它似乎也有二維特性，但在2008年7月底，中國(guó)科學(xué)院王楠林（Nan-Lin Wang）研究員領(lǐng)導(dǎo)的研究組，以及美國(guó)愛(ài)荷華州立大學(xué)的保羅C坎菲爾德（Paul C. Canfield）小組與洛斯阿拉莫斯國(guó)家試驗(yàn)室（Los Alamos National Laboratory）研究人員的合作團(tuán)隊(duì)，分別獨(dú)立地發(fā)現(xiàn)鐵基超導(dǎo)體對(duì)不同方向和強(qiáng)磁場(chǎng)有類似響應(yīng)。也就是說(shuō)，他們研究的這種超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度可達(dá)38K的鉀摻雜鋇鐵砷材料似乎是一個(gè)具有三維特性的超導(dǎo)體。 （環(huán)球科學(xué)2009年第9期）由于在鐵基ln(o，f)feas化合物及其相關(guān)化合物中發(fā)現(xiàn)具有高于40k的超導(dǎo)電性，層狀的鐵基化合物引起了凝聚態(tài)物理學(xué)界很大的興趣和關(guān)注，在隨后的研究中發(fā)現(xiàn)，在該類材料中最高超導(dǎo)臨界溫度可達(dá)到55k，這些重要的發(fā)現(xiàn)使得人們又重新對(duì)高溫超導(dǎo)體的探索產(chǎn)生了極大的興趣，并且為研究高溫超導(dǎo)的機(jī)理提供了新的一類材料，文章主要介紹了作者所在組在新型鐵基超導(dǎo)體方面的