中國儲能網(wǎng)訊：2017年1月9日，2016年度國家科學(xué)技術(shù)獎勵大會在北京人民大會堂舉行。本刊作者、中國科學(xué)院物理研究所研究員、中國科學(xué)院院士趙忠賢獲得國家最高科學(xué)技術(shù)獎。
1987年2月，趙忠賢及合作者獨立發(fā)現(xiàn)液氮溫區(qū)高溫超導(dǎo)體，并在國際上首次公布其元素組成為Ba-Y-Cu-O。1987年，獲得第三世界科學(xué)院(現(xiàn)更名為發(fā)展中國家科學(xué)院)物理獎，這是中國科學(xué)家首次獲此獎項。1989年，因“液氮溫區(qū)氧化物超導(dǎo)電性的發(fā)現(xiàn)”獲國家自然科學(xué)獎集體一等獎(排名第一)。
2008年，日本報道了LaFeAsO有26K的超導(dǎo)電性，趙忠賢認(rèn)識到其中可能孕育新的突破，并提出輕稀土元素替代和高溫高壓的合成方案，率先將鐵基超導(dǎo)體的臨界溫度從26K提高到52K，顯著超過40K的麥克米蘭極限。很快，研究團(tuán)隊又合成了絕大多數(shù)50K以上的系列鐵基超導(dǎo)體，創(chuàng)造了大塊鐵基超導(dǎo)體55K的最高臨界溫度紀(jì)錄。2013年，趙忠賢因“40K以上鐵基高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)及若干基本物理性質(zhì)研究”榮獲國家自然科學(xué)獎一等獎。 2015年，榮獲國際超導(dǎo)領(lǐng)域重要獎項Matthias獎。
高溫超導(dǎo)領(lǐng)域，我國為何能長期保持世界領(lǐng)先?以史為鏡，從羅會仟的《高溫超導(dǎo)30載：過去、現(xiàn)在和未來》一文也許能得到一些啟示。
引 言
近年來，中國物理學(xué)家在鐵基高溫超導(dǎo)領(lǐng)域持續(xù)做出了許多卓越貢獻(xiàn)，相關(guān)發(fā)現(xiàn)和研究開啟了超導(dǎo)物理學(xué)史上的嶄新篇章。2016年是高溫超導(dǎo)發(fā)現(xiàn)30周年，隨著鐵基超導(dǎo)的助力，高溫超導(dǎo)機理研究已經(jīng)步入加速階段，相信在不久的將來，高溫超導(dǎo)機理的面紗終會全面揭開，整個凝聚態(tài)物理也將發(fā)生革命性的變化。
超導(dǎo)是凝聚態(tài)物質(zhì)中電子的一種宏觀多體量子態(tài)，百余年來一直是活躍的前沿領(lǐng)域。超導(dǎo)研究不僅在材料應(yīng)用方面具有巨大潛力，而且其中發(fā)現(xiàn)的種種奇異量子現(xiàn)象是基礎(chǔ)科學(xué)研究的重要源泉。鐵基高溫超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)以及對其不斷深入的研究，給多年來令人困惑的高溫超導(dǎo)和室溫超導(dǎo)領(lǐng)域帶來了一縷曙光。推動超導(dǎo)基礎(chǔ)研究在中國的發(fā)展，將進(jìn)一步鞏固我們在凝聚態(tài)物理研究中已占領(lǐng)的國際制高點，提升我國在基礎(chǔ)科學(xué)前沿領(lǐng)域的競爭力。
超導(dǎo)的基本性質(zhì)與應(yīng)用
1911年4月8日，荷蘭萊頓大學(xué)低溫物理實驗室的卡末林—昂內(nèi)斯(H. Kamerlingh Onnes)團(tuán)隊在研究低溫下金屬汞的電阻時，發(fā)現(xiàn)汞的電阻在4.2開附近突然下降了4個數(shù)量級，超出了儀表的測量范圍。經(jīng)過仔細(xì)查驗，卡末林—昂內(nèi)斯認(rèn)為汞的電阻已變?yōu)榱?，并把這個具有零電阻的導(dǎo)體稱之為超導(dǎo)，把發(fā)生超導(dǎo)現(xiàn)象的溫度定義為臨界溫度。隨后，德國的邁斯納(W. Meissner)和奧克森費爾德(R. Ochsenfeld)發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體還具有特殊的磁性質(zhì)——完全抗磁性，即當(dāng)超導(dǎo)材料溫度降至臨界溫度Tc之下時，所有的外磁場磁力線將被排出導(dǎo)體體外，無論如何降溫，外磁場的施加順序如何，超導(dǎo)體內(nèi)部的磁感應(yīng)強度始終為零。這種完全抗磁性現(xiàn)象被稱為邁斯納效應(yīng)。一個材料能否稱之為超導(dǎo)體，必須同時具有零電阻和邁斯納效應(yīng)兩個獨立的物理性質(zhì)。
隨著研究的展開，人們發(fā)現(xiàn)：超導(dǎo)現(xiàn)象發(fā)生前后，材料內(nèi)部的晶體結(jié)構(gòu)并未發(fā)生變化，而材料內(nèi)部電子的整體比熱卻發(fā)生一個躍變。因此，超導(dǎo)現(xiàn)象實際上是材料內(nèi)部電子的一個集體行為，用現(xiàn)代物理語言來說，就是宏觀量子態(tài)。1957年，美國物理學(xué)家巴丁(J. Bardeen)、庫珀(L.N. Cooper)和施里弗(J.R. Sieffer)建立了常規(guī)超導(dǎo)的微觀理論——BCS理論。該理論認(rèn)為，在常規(guī)金屬合金中，固體材料中帶正電的原子實會對“路過”的帶負(fù)電的電子產(chǎn)生吸引相互作用，而后一個路過的電子將“感受”到前一個路過的電子造成的“印記”，即兩個電子之間存在一種間接相互作用，其媒介就是周期排列的原子所產(chǎn)生的熱振動能量量子——聲子。如果兩個電子動量相反，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，導(dǎo)致材料中電子兩兩配對。配對后的電子對稱為庫珀對，所有庫珀對將在運動過程中保持步調(diào)一致，并集體凝聚到低能組態(tài)。因此，運動中即便受到阻礙，配對電子也會彼漲此消，使得整個配對的自由電子群體可以保證能量損失為零，從而實現(xiàn)零電阻狀態(tài)。電子對的集體凝聚將“抗拒”體外磁場的進(jìn)入，從而實現(xiàn)邁斯納效應(yīng)。正是如此，超導(dǎo)材料在宏觀和微觀上都展現(xiàn)出許多神奇的電磁特性，具有許多潛在應(yīng)用。
超導(dǎo)材料在能源、科研、醫(yī)療、通信等多個領(lǐng)域都具有極其重要的應(yīng)用，主要分為強電應(yīng)用和弱電應(yīng)用兩大方面。
超導(dǎo)的強電應(yīng)用主要用于超導(dǎo)電力和超導(dǎo)磁體?？梢哉f，所有用電設(shè)備都可以使用無損耗、高效率的超導(dǎo)材料。超導(dǎo)電纜將提高電力傳輸容量并大大降低傳輸損耗，超導(dǎo)變壓器能夠確保電能輸送的安全，超導(dǎo)發(fā)電機能提供高效的電力供應(yīng)，超導(dǎo)限流器以及超導(dǎo)儲能系統(tǒng)將實現(xiàn)電網(wǎng)暫態(tài)故障的抑制并提高電能質(zhì)量。隨著超導(dǎo)技術(shù)的進(jìn)步，預(yù)計在2020年左右，全球超導(dǎo)電力技術(shù)的產(chǎn)值將超過750億美元。和常規(guī)導(dǎo)體磁懸浮相比，超導(dǎo)磁懸浮力量更強大，一平方米的超導(dǎo)體足以懸浮起一個小孩。超導(dǎo)磁懸浮列車具有高速、低噪聲、高穩(wěn)定度和高安全性等不可替代的優(yōu)勢。超導(dǎo)磁體可以在小空間范圍內(nèi)實現(xiàn)穩(wěn)恒強磁場，是如今科學(xué)研究、工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中不可缺少的重要支撐。許多大型加速器都需要用到大量超導(dǎo)磁體，例如歐洲大型強子對撞機(Large Hadron Collider，LHC)上具有9300多個超導(dǎo)磁體，這是對撞機運行的必備基礎(chǔ)。采用磁場強度和均勻度更高的超導(dǎo)磁體，醫(yī)院的核磁共振成像儀的成像分辨率將大大提高，檢測成本也將下降。隨著石化能源的枯竭，人們積極尋找的替代能源之一就是可控?zé)岷司圩?，又稱超導(dǎo)托卡馬克或人造小太陽，其中關(guān)鍵技術(shù)就是利用超導(dǎo)磁體提供的強磁場將核聚變約束在有限空間內(nèi)。
超導(dǎo)的弱電應(yīng)用是指基于超導(dǎo)電子宏觀量子態(tài)調(diào)控的一些電子學(xué)器件。超導(dǎo)微波器件具有信噪比高，帶邊抑制明顯，帶寬控制靈活等優(yōu)勢。所謂4G/5G手機，其通信基站也許就使用了超導(dǎo)濾波器。這些高性能微波器件同樣在軍事設(shè)備、衛(wèi)星通信、航空航天等領(lǐng)域大有用武之地，已發(fā)射的實踐九號衛(wèi)星和即將發(fā)射的天宮二號空間實驗室都配置了相關(guān)裝置?；趦蓚€超導(dǎo)體之間量子效應(yīng)的超導(dǎo)量子干涉器件(SQUID)，是目前世界上最靈敏的磁探測技術(shù)，僅受到量子力學(xué)基本原理的限制。SQUID也是超導(dǎo)量子比特的基本單元，以超導(dǎo)量子比特為運算單元的量子計算機，將借助量子力學(xué)原理實現(xiàn)高性能計算，掀起一場新的信息革命。
超導(dǎo)體的零電阻效應(yīng)和邁斯納效應(yīng)
既然超導(dǎo)材料有著如此巨大的應(yīng)用潛力，為何在超導(dǎo)發(fā)現(xiàn)100多年后，其實際應(yīng)用范圍仍然遠(yuǎn)不如半導(dǎo)體呢?這是因為超導(dǎo)的實現(xiàn)必須依賴一定的條件。首先，超導(dǎo)材料只有處于臨界溫度以下時才能呈現(xiàn)超導(dǎo)態(tài)，而目前所發(fā)現(xiàn)的臨界溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于室溫，如此低溫環(huán)境需要大量的低溫液體，特別是昂貴的液氦來維持，極大增加了超導(dǎo)的應(yīng)用成本。其次，超導(dǎo)材料能承受的外磁場具有一定上限，稱之為臨界磁場。只有一個臨界磁場的稱為第一類超導(dǎo)體，一旦磁場超過這個臨界值，超導(dǎo)態(tài)將不復(fù)存在。大部分超導(dǎo)體具有兩個臨界磁場，稱為第二類超導(dǎo)體。外磁場大于下臨界磁場時，完全抗磁態(tài)將被破壞，但零電阻態(tài)仍能保持;外磁場大于上臨界場時，零電阻態(tài)也將徹底破壞。再者，通過超導(dǎo)材料的電流密度存在一個上限，稱為臨界電流密度。臨界磁場和臨界電流密度的存在意味著，即使超導(dǎo)體電阻為零，通過超導(dǎo)體的電流以及由超導(dǎo)線圈產(chǎn)生的磁場也將受到限制。因此，超導(dǎo)材料探索和應(yīng)用研究的首要目的，就是尋找高臨界溫度、高臨界磁場和高臨界電流密度的新超導(dǎo)材料。
超導(dǎo)材料的探索之路
超導(dǎo)現(xiàn)象雖然看似神奇，但卻普遍存在于各種化合物之中。從1911年到1986年，人們不斷嘗試了各種單質(zhì)元素和金屬合金。在元素周期表中，除了一些磁性金屬(如錳、鈷、鎳)、堿金屬(如鈉、鉀、銣)、部分磁性很強的稀土元素、惰性氣體和重元素尚未觀測到超導(dǎo)現(xiàn)象外，其他常見金屬單質(zhì)中都發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)，而一些非金屬單質(zhì)在高壓下也能夠?qū)崿F(xiàn)超導(dǎo)態(tài)。金屬和合金的超導(dǎo)臨界溫度都很低，到1986年為止，人們發(fā)現(xiàn)的最高臨界溫度為23.2開(化合物Nb3Ge)。盡管如此，金屬合金的臨界電流密度卻很大，往往能達(dá)到數(shù)千安培/毫米2，加上金屬具有良好的韌性和延展性，金屬合金超導(dǎo)線成了目前超導(dǎo)磁體普遍使用的材料。
由于BCS理論在解釋常規(guī)金屬合金超導(dǎo)現(xiàn)象時取得了巨大成功，理論物理學(xué)家基于該理論框架，推斷基于電子—聲子相互作用配對凝聚的超導(dǎo)臨界溫度不可能高于40 開，即所謂麥克米蘭極限。然而，實驗物理學(xué)家并沒有因此放棄尋找具有更高臨界溫度的超導(dǎo)材料。1986年，貝德諾爾茨(J. Bednorz，又譯柏諾茲) 和米勒(K. Müller，又譯繆勒)獨辟蹊徑，大膽地選擇在一般認(rèn)為導(dǎo)電性不好的陶瓷材料中去探索超導(dǎo)電性。他們在La-Ba-Cu-O體系中首次發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)電性的跡象，臨界溫度高達(dá)35 開，距離40開僅一步之遙，也超越了Nb3Ge中23.2 開的記錄。這一發(fā)現(xiàn)引發(fā)了超導(dǎo)研究的熱潮。1987年2月，美國休斯敦大學(xué)的朱經(jīng)武、吳茂昆研究組和中國科學(xué)院物理研究所的趙忠賢研究團(tuán)隊分別獨立發(fā)現(xiàn)在Y-Ba-Cu-O體系中，超導(dǎo)臨界溫度高達(dá)90開，超導(dǎo)研究首次成功突破了液氮溫區(qū)(液氮的沸點為77 開)。之后，臨界溫度記錄不斷被刷新，如Tl-Ba-Ca-Cu-O體系中臨界溫度達(dá)到125開，Hg-Ba-Ca-Cu-O體系中則達(dá)到135開。1994年，朱經(jīng)武研究組在高壓條件下把Hg-Ba-Ca-Cu-O體系的臨界溫度提高到164開。相對于常規(guī)的金屬和合金超導(dǎo)體(稱為傳統(tǒng)超導(dǎo)體)，銅氧化物超導(dǎo)體具有較高的超導(dǎo)臨界溫度(突破麥克米蘭極限)，因此被稱為高溫超導(dǎo)體。
事實上，在銅氧化物高溫超導(dǎo)體發(fā)現(xiàn)之前，人們就在許多材料中發(fā)現(xiàn)了特殊的超導(dǎo)電性，例如1973年發(fā)現(xiàn)的氧化物超導(dǎo)體Ba1-xKxBiO3，1978年發(fā)現(xiàn)的第一個重費米子超導(dǎo)體CeCu2Si2 ，1979年發(fā)現(xiàn)的第一個有機超導(dǎo)體(TMTSF)2PF6等。不僅如此，人們隨后在更多的過渡金屬氧化物材料中發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)現(xiàn)象，在稀土金屬化合物中發(fā)現(xiàn)了更多的具有超重電子有效質(zhì)量的重費米子超導(dǎo)體，在堿金屬或堿土金屬摻雜的C60、C6和多苯環(huán)有機材料中也發(fā)現(xiàn)了30 開以上的超導(dǎo)臨界溫度，在硼化物如YNi2B2C、MgB2和氮化物HfNCl材料中同樣發(fā)現(xiàn)了20開～40開的臨界溫度。
超導(dǎo)體的各種應(yīng)用
隨著越來越多超導(dǎo)材料被發(fā)現(xiàn)，人們認(rèn)識到BCS理論并非適應(yīng)于所有超導(dǎo)體。盡管對于絕大部分超導(dǎo)材料，電子兩兩組合而成的庫珀對仍然是承載超導(dǎo)電流的主體，但電子之間如何配對?它們的配對媒介是什么?電子對之間又如何一起凝聚到超導(dǎo)態(tài)?這一系列問題存在很大爭議。尚不能用傳統(tǒng)的BCS理論描述的超導(dǎo)材料也被稱為非常規(guī)超導(dǎo)體，包括銅氧化物及其他多種氧化物超導(dǎo)體、重費米子超導(dǎo)體和有機超導(dǎo)體等。理解非常規(guī)超導(dǎo)體中超導(dǎo)電性的起源，不僅能為超導(dǎo)材料探索指明方向，而且還能刷新對凝聚態(tài)物理基本概念的理解，創(chuàng)建新的物理體系。然而，數(shù)十年過去了，非常規(guī)超導(dǎo)機理仍然是捉摸不透的謎。其中最主要的原因是這些材料內(nèi)部電子和電子之間具有很強的相互作用，展現(xiàn)出的物理性質(zhì)除了超導(dǎo)外，還有磁有序態(tài)和電荷有序態(tài)等復(fù)雜的集體量子行為。理解這些奇異且豐富的量子態(tài)，必須突破現(xiàn)有的凝聚態(tài)物理理論框架，這無疑是一個巨大的挑戰(zhàn)!為建立非常規(guī)超導(dǎo)理論或高溫超導(dǎo)理論，無數(shù)科學(xué)家為之付出了多年努力，至今雖小有進(jìn)展，卻仍感覺成功之日遙遙無期。
正在超導(dǎo)機理和應(yīng)用研究逐漸步入瓶頸的時候，新的希望再次被點燃。2006年，日本的細(xì)野秀雄(H. Hosono)研究小組在探索新型透明導(dǎo)電材料時偶然發(fā)現(xiàn)LaFePO體系存在4開左右的超導(dǎo)電性。2008年2月23日，他們報道了氟摻雜的LaFeAsO體系中存在26開的超導(dǎo)電性。中國科學(xué)家在得知消息的第一時間合成該類材料并開展物性研究，其中中國科學(xué)院物理所和中國科技大學(xué)的研究人員采用稀土替代方法獲得了一系列高質(zhì)量樣品，驚喜地發(fā)現(xiàn)其臨界溫度突破了40開，優(yōu)化合成方式之后可以獲得55開的高臨界溫度。新一代高溫超導(dǎo)家族——鐵基高溫超導(dǎo)體就此誕生，這一次從新超導(dǎo)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(dǎo)記錄幾乎以天為單位在不斷被刷新。
在隨后幾年里，新的鐵砷化物和鐵硒化物等鐵基超導(dǎo)體系不斷被發(fā)現(xiàn)，其中材料探索的主力軍來自中、日、德、美、英等國。經(jīng)過粗略估計，鐵基超導(dǎo)家族成員數(shù)目可能有3000多種，真可謂是至今為止最龐大超導(dǎo)家族，而現(xiàn)今發(fā)現(xiàn)的已知體系不過是其中九牛一毛。由于多年在超導(dǎo)研究中的積累，鐵基超導(dǎo)從發(fā)現(xiàn)到現(xiàn)在，無論在材料探索、物性研究、機理研究和應(yīng)用研究等多個方面都進(jìn)展迅速。從“銅器時代”到“鐵器時代”，超導(dǎo)研究在不斷綻放更多的活力。
鐵基高溫超導(dǎo)：中國何以領(lǐng)先?
在銅氧化物高溫超導(dǎo)中，中國科學(xué)家雖然在材料探索方面取得了少數(shù)幾個世界領(lǐng)先的工作，然而在后續(xù)的物性研究和機理研究中，來自中國的聲音還是不多。在1980年代末，中國的凝聚態(tài)物理學(xué)研究尚處于方興未艾的狀態(tài)，國內(nèi)的科研硬件和人才儲備都落后于世界。隨著我們綜合國力的不斷增長，科技投入的逐年增加，本土培養(yǎng)和海外引進(jìn)的人才實力越來越雄厚，實現(xiàn)新的科學(xué)突破也在期待之中?？梢哉f，我國凝聚態(tài)物理的核心力量群體，幾乎都經(jīng)歷過銅氧化物高溫超導(dǎo)那段激動人心的年代，經(jīng)過高溫超導(dǎo)中艱深物理問題的歷練，同時許多尖端儀器技術(shù)也得以不斷優(yōu)化改進(jìn)。一切的積累，只為等待新的機遇。
鐵基超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)再一次突破超導(dǎo)材料探索的“普適規(guī)律”，因為通常認(rèn)為鐵離子帶有磁性，會極大地破壞超導(dǎo)。出乎意料的是，鐵砷化物母體中摻雜如鈷和鎳等磁性離子后，反而會誘發(fā)超導(dǎo)電性，這意味著磁性和超導(dǎo)完全可以“和平共處”。盡管德國科學(xué)家雅伊奇科(W. Jeitschko)的研究組從1977年到1995年一直在研究和LaFePO具有類似結(jié)構(gòu)的化合物，他們卻和鐵基超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)擦肩而過。而非超導(dǎo)領(lǐng)域的日本科學(xué)家細(xì)野秀雄則幸運地把握住了機會，發(fā)現(xiàn)這類鐵磷族氧化物存在超導(dǎo)電性，并在他們發(fā)表的論文中引用了德國科學(xué)家的成果。中國科學(xué)家敏銳地注意到了這幾篇重要的引文，并在第一時間利用稀土替代效應(yīng)和高溫高壓迅速合成材料方法成功突破了麥克米蘭極限，在極短的時間內(nèi)吸引了全世界凝聚態(tài)物理學(xué)家的目光。在已發(fā)現(xiàn)的十余種鐵基超導(dǎo)體系中，中國科學(xué)家獨立發(fā)現(xiàn)了4種。他們并沒有因此停下探索新鐵基超導(dǎo)材料的步伐，特別是在鐵硒基材料的研究中，不斷涌現(xiàn)驚喜：2010年，中科院物理所和浙江大學(xué)的團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)KxFe2-ySe2體系存在30開以上的超導(dǎo)電性;2012年，
清華大學(xué)和中科院物理所的團(tuán)隊在僅有一個原子層的FeSe薄膜上發(fā)現(xiàn)了65開以上的超導(dǎo)電性，在上海交通大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、北京大學(xué)等研究團(tuán)隊的推動下，發(fā)現(xiàn)這類超導(dǎo)現(xiàn)象可能源于界面效應(yīng)，還有可能出現(xiàn)100開以上的高溫超導(dǎo)電性;2014年，中國科技大學(xué)的團(tuán)隊在插層的(Li1-xFex)OHFe1-ySe體系中發(fā)現(xiàn)42開的超導(dǎo)電性，2015年再次在門電壓調(diào)控的FeSe單晶材料中實現(xiàn)48開的超導(dǎo)電性……
典型超導(dǎo)材料發(fā)現(xiàn)年代及其臨界溫度
令人歡欣鼓舞的是，中國科學(xué)家在鐵基超導(dǎo)領(lǐng)域做出的貢獻(xiàn)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不局限于材料的發(fā)現(xiàn)和臨界溫度的提高，而是在實驗、理論和應(yīng)用等各個方面都做到了世界領(lǐng)先。由于掌握了樣品材料的先機優(yōu)勢，中國科學(xué)家率先廣泛地開展了鐵基超導(dǎo)的物性和機理研究。實驗物理學(xué)家迅速重復(fù)了日本科學(xué)家的結(jié)果，并在此基礎(chǔ)上開展了常規(guī)的電、磁、熱輸運等物性測量，以及初步的電荷動力學(xué)和超導(dǎo)能隙測量;從這些早期數(shù)據(jù)中，理論物理學(xué)家推測鐵基超導(dǎo)材料具有自旋密度波形式的長程磁有序，這意味著鐵基超導(dǎo)材料極有可能和銅基超導(dǎo)材料一樣，同屬于非常規(guī)超導(dǎo)體，隨后中子散射等實驗給出了確切的證據(jù)。
已知的多個體系的鐵基超導(dǎo)材料的磁結(jié)構(gòu)都是由中國或華人物理學(xué)家團(tuán)隊確定的。最先獲得高質(zhì)量單晶樣品后，中國物理學(xué)家開展了首個電子結(jié)構(gòu)和能隙分布的角分辨光電子能譜測量，確認(rèn)這類材料具有多個費米面，且超導(dǎo)能隙都是各向同性的，最早從實驗上給出了多帶超導(dǎo)的直接證據(jù)。接著，一系列深入而系統(tǒng)的高質(zhì)量研究成果頻現(xiàn)中國：強磁場輸運實驗發(fā)現(xiàn)鐵基超導(dǎo)材料具有很高的上臨界場，且超導(dǎo)傾向于各向同性;紅外光譜實驗發(fā)現(xiàn)譜重轉(zhuǎn)移現(xiàn)象和電子的洪特關(guān)聯(lián)態(tài);掃描隧道譜實驗最早發(fā)現(xiàn)了磁通束縛態(tài)，并對磁通渦旋、表面重構(gòu)、超導(dǎo)能隙空間部分等開展了詳細(xì)的研究;核磁共振實驗研究了超導(dǎo)和磁有序共存的物理問題，發(fā)現(xiàn)低能自旋漲落對超導(dǎo)起關(guān)鍵作用;中子散射實驗對磁有序、磁激發(fā)和高能自旋漲落譜開展了非常系統(tǒng)的研究，指出形成高溫超導(dǎo)電性的關(guān)鍵是磁性漲落，并率先發(fā)現(xiàn)各種奇異量子態(tài);基于理論計算，成功預(yù)言了鐵基超導(dǎo)的多種物理特性并提出可能的高溫超導(dǎo)微觀模型;在材料應(yīng)用上，成功利用鐵基材料獲得了很高的臨界電流密度和高質(zhì)量的超導(dǎo)薄膜。不僅如此，中國科學(xué)家還和國際同行開展了廣泛的合作，近些年的國際會議里，中國和華人科學(xué)家已經(jīng)成為鐵基超導(dǎo)研究的主角。
在鐵基超導(dǎo)材料探索過程中，中國科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)了許多“副產(chǎn)品”。例如，2011—2013年，發(fā)現(xiàn)一類具有和鐵基材料相同結(jié)構(gòu)的Li(Zn,Mn)As、(Ba,K)(Zn,Mn)2As2等稀磁半導(dǎo)體;2013年，發(fā)現(xiàn)TlNi2Se2和TlNi2S2等重費米子超導(dǎo)材料;2014—2015年，發(fā)現(xiàn)第一個在高壓下呈現(xiàn)超導(dǎo)性質(zhì)的鉻基和錳基超導(dǎo)材料CrAs和MnP，發(fā)現(xiàn)第一個準(zhǔn)一維鉻基砷化物超導(dǎo)材料K2Cr3As3。
2011年，在堿金屬摻雜的少層石墨烯、三苯環(huán)和七苯環(huán)結(jié)構(gòu)的稠環(huán)芳香烴中發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)電性，為有機超導(dǎo)家族增添了幾個新成員。特別是在高壓技術(shù)的幫助下，諸多新型的超導(dǎo)材料不斷被發(fā)現(xiàn)，例如2013年在拓?fù)浣^緣體Bi2Se3、Sb2Te3等材料中發(fā)現(xiàn)超導(dǎo);2015年在巨磁阻材料WTe2中發(fā)現(xiàn)超導(dǎo);2015年在拓?fù)洳牧蟌rTe5和HfTe5中發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)。
越來越多的鐵基超導(dǎo)重要研究成果來自中國，中國科學(xué)家已經(jīng)走在了引領(lǐng)國際超導(dǎo)研究潮流的先鋒隊伍當(dāng)中。正如美國《科學(xué)》雜志一篇題為《新超導(dǎo)體將中國物理學(xué)家推到最前沿》的報道所言：“中國如洪流般不斷涌現(xiàn)的研究結(jié)果標(biāo)志著在凝聚態(tài)物理領(lǐng)域，中國已經(jīng)成為一個強國。” 2008年鐵基超導(dǎo)被多家機構(gòu)評為世界十大科學(xué)進(jìn)展之一，中國鐵基超導(dǎo)研究團(tuán)隊獲得了2009年度“求是杰出科學(xué)成就集體獎”和2013年度國家自然科學(xué)一等獎，這些獎項的獲得極大地鼓舞了鐵基超導(dǎo)相關(guān)科研人員的信心。我們完全有理由相信，未來的高溫超導(dǎo)研究中，一定會有更多的驚喜來自中國。
超導(dǎo)研究挑戰(zhàn)與展望
鐵基超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)，不僅意味著科學(xué)家終于在20多年后找到了另一種高溫超導(dǎo)材料，更意味著探尋非常規(guī)超導(dǎo)或高溫超導(dǎo)機理多了許多可能的道路。鐵基超導(dǎo)的物理性質(zhì)非常豐富，是溝通非常規(guī)超導(dǎo)和常規(guī)超導(dǎo)的完美橋梁。例如，鐵基超導(dǎo)材料具有層狀晶體結(jié)構(gòu)和反鐵磁母體結(jié)構(gòu)，超導(dǎo)和磁性之間存在競爭和共存，有著復(fù)雜的電子態(tài)相圖，自旋漲落可能在超導(dǎo)電子配對過程中起著關(guān)鍵作用，這些都是具有20開以上臨界溫度的非常規(guī)超導(dǎo)材料的共性。然而，鐵基超導(dǎo)母體并非像銅氧化物一樣是絕緣體，而是金屬態(tài)，內(nèi)部電子間雖然存在相互作用和關(guān)聯(lián)，但其關(guān)聯(lián)強度屬于中度，采用傳統(tǒng)的理論數(shù)值計算方法可以預(yù)言出大體的電子態(tài)性質(zhì)，這和常規(guī)的金屬超導(dǎo)體又十分相似。特殊的地方還在于，類似于常規(guī)超導(dǎo)體MgB2，鐵基超導(dǎo)材料也是多帶超導(dǎo)體，這給鐵基超導(dǎo)的機理研究帶來了巨大挑戰(zhàn)，因為現(xiàn)有的物理手段難以精確測定每一類電子在超導(dǎo)態(tài)中的具體角色，更何況不同類電子之間并不是完全獨立的，互相之間還存在復(fù)雜的相互作用。幸運的是，鐵基超導(dǎo)材料的靈活度非常大，幾乎在材料中的每一種原子位置進(jìn)行類似的元素替代或摻雜都可以引起超導(dǎo)，高壓、水或離子插層、載流子注入等多種方法同樣可以實現(xiàn)超導(dǎo)，這樣就可以多方位地調(diào)控超導(dǎo)、磁性、電子態(tài)等，有利于尋找出具體的關(guān)鍵物理因素。
高壓是尋找新超導(dǎo)材料的一個非常有效的工具。一方面，高壓可以在新穎材料中探索超導(dǎo)電性的可能;另一方面，高壓可以提高超導(dǎo)材料的臨界溫度，如常壓下汞系銅基超導(dǎo)體臨界溫度記錄為135開，高壓下可提升至164開;常壓下LaFeAsO1-xFx體系臨界溫度為26開，高壓下可以達(dá)到43開。事實上，即便在BCS理論框架下，如果能夠?qū)崿F(xiàn)高密度輕元素金屬，也極有可能獲得高溫超導(dǎo)體。早就有理論預(yù)言，金屬氫材料可能是室溫(臨界溫度大于300開)超導(dǎo)體，然而多年的嘗試并未獲得成功。2014年，吉林大學(xué)的研究人員從理論上預(yù)言H2S-H2化合物在高壓下可實現(xiàn)191開的高溫超導(dǎo)，將突破164開的臨界溫度記錄。2015年，德國物理學(xué)家在實驗上成功測量了200萬個大氣壓下的H3S的電阻和磁化率，發(fā)現(xiàn)了高達(dá)203開的超導(dǎo)電性，距離300開的室溫超導(dǎo)之夢已經(jīng)咫尺之遙。
2016年是高溫超導(dǎo)發(fā)現(xiàn)30周年，隨著鐵基超導(dǎo)的助力，高溫超導(dǎo)機理研究已經(jīng)步入加速階段，相信在不久的將來，高溫超導(dǎo)機理的面紗終會全面揭開，整個凝聚態(tài)物理也將發(fā)生革命性的變化。縱觀超導(dǎo)材料探索歷史，幾乎每年度都會有多個新型超導(dǎo)材料被發(fā)現(xiàn)，我們也完全有理由相信，有朝一日室溫超導(dǎo)終會實現(xiàn)。在超導(dǎo)強電和弱電應(yīng)用逐步商業(yè)化之后，作為未來材料，超導(dǎo)定然會給世界帶來翻天覆地的變化。中國人的超導(dǎo)夢，將會走得更遠(yuǎn)。中國科學(xué)家的卓越貢獻(xiàn)，也將永被世人銘記。
羅會仟，副研究員：中國科學(xué)院物理研究所，北京100190。hqluo@iphy.ac.cn
Luo Huiqian, Associate Research Professor: Institute of Physics, CAS, Beijing 100190.
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原標(biāo)題:羅會仟：高溫超導(dǎo)30載過去、現(xiàn)在和未來
