中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：2017年1月9日，2016年度國家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)在北京人民大會(huì)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(jiǎng)。
1987年2月，趙忠賢及合作者獨(dú)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(jiǎng)，這是中國科學(xué)家首次獲此獎(jiǎng)項(xiàng)。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(jiǎng)集體一等獎(jiǎng)(排名第一)。
2008年，日本報(bào)道了LaFeAsO有26K的超導(dǎo)電性，趙忠賢認(rèn)識(shí)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(duì)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(jiǎng)一等獎(jiǎng)。 2015年，榮獲國際超導(dǎo)領(lǐng)域重要獎(jiǎng)項(xiàng)Matthias獎(jiǎng)。
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(huì)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(jī)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(jī)理的面紗終會(huì)全面揭開，整個(gè)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(dòng)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(diǎn)，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(shí)驗(yàn)室的卡末林—昂內(nèi)斯(H. Kamerlingh Onnes)團(tuán)隊(duì)在研究低溫下金屬汞的電阻時(shí)，發(fā)現(xiàn)汞的電阻在4.2開附近突然下降了4個(gè)數(shù)量級，超出了儀表的測量范圍。經(jīng)過仔細(xì)查驗(yàn)，卡末林—昂內(nèi)斯認(rèn)為汞的電阻已變?yōu)榱?，并把這個(gè)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(fèi)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(shí)，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(qiáng)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(gè)材料能否稱之為超導(dǎo)體，必須同時(shí)具有零電阻和邁斯納效應(yīng)兩個(gè)獨(dú)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(gè)躍變。因此，超導(dǎo)現(xiàn)象實(shí)際上是材料內(nèi)部電子的一個(gè)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(shí)會(huì)對“路過”的帶負(fù)電的電子產(chǎn)生吸引相互作用，而后一個(gè)路過的電子將“感受”到前一個(gè)路過的電子造成的“印記”，即兩個(gè)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(dòng)能量量子——聲子。如果兩個(gè)電子動(dòng)量相反，那么它們各自與周圍原子實(shí)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(yùn)動(dòng)過程中保持步調(diào)一致，并集體凝聚到低能組態(tài)。因此，運(yùn)動(dòng)中即便受到阻礙，配對電子也會(huì)彼漲此消，使得整個(gè)配對的自由電子群體可以保證能量損失為零，從而實(shí)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(shí)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(gè)領(lǐng)域都具有極其重要的應(yīng)用，主要分為強(qiáng)電應(yīng)用和弱電應(yīng)用兩大方面。
超導(dǎo)的強(qiáng)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(jī)能提供高效的電力供應(yīng)，超導(dǎo)限流器以及超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)將實(shí)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(jì)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(qiáng)大，一平方米的超導(dǎo)體足以懸浮起一個(gè)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(shí)現(xiàn)穩(wěn)恒強(qiáng)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(qiáng)子對撞機(jī)(Large Hadron Collider，LHC)上具有9300多個(gè)超導(dǎo)磁體，這是對撞機(jī)運(yùn)行的必備基礎(chǔ)。采用磁場強(qiáng)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(qiáng)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(jī)，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(shí)踐九號(hào)衛(wèi)星和即將發(fā)射的天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室都配置了相關(guān)裝置?；趦蓚€(gè)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(yùn)算單元的量子計(jì)算機(jī)，將借助量子力學(xué)原理實(shí)現(xiàn)高性能計(jì)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(shí)際應(yīng)用范圍仍然遠(yuǎn)不如半導(dǎo)體呢?這是因?yàn)槌瑢?dǎo)的實(shí)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(shí)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(gè)臨界磁場的稱為第一類超導(dǎo)體，一旦磁場超過這個(gè)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(gè)臨界磁場，稱為第二類超導(dǎo)體。外磁場大于下臨界磁場時(shí)，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(shí)，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(gè)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(qiáng)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(dú)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(duì)分別獨(dú)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(diǎn)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(shí)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(gè)重費(fèi)米子超導(dǎo)體CeCu2Si2 ，1979年發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)有機(jī)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(fèi)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(jī)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(shí)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(fèi)米子超導(dǎo)體和有機(jī)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(jī)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(qiáng)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(gè)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(jī)理和應(yīng)用研究逐漸步入瓶頸的時(shí)候，新的希望再次被點(diǎn)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(shí)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(bào)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(shí)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(gè)月的時(shí)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(jì)，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(jī)理研究和應(yīng)用研究等多個(gè)方面都進(jìn)展迅速。從“銅器時(shí)代”到“鐵器時(shí)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(gè)世界領(lǐng)先的工作，然而在后續(xù)的物性研究和機(jī)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(chǔ)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(shí)力越來越雄厚，實(shí)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(dòng)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(shí)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(jī)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?yàn)橥ǔＵJ(rèn)為鐵離子帶有磁性，會(huì)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(huì)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(yùn)地把握住了機(jī)會(huì)，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(shí)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(shí)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(dú)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(duì)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(duì)在僅有一個(gè)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(duì)的推動(dòng)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(duì)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(shí)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(shí)驗(yàn)、理論和應(yīng)用等各個(gè)方面都做到了世界領(lǐng)先。由于掌握了樣品材料的先機(jī)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(jī)理研究。實(shí)驗(yàn)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(yùn)等物性測量，以及初步的電荷動(dòng)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(shí)驗(yàn)給出了確切的證據(jù)。
已知的多個(gè)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(duì)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(gè)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(gè)費(fèi)米面，且超導(dǎo)能隙都是各向同性的，最早從實(shí)驗(yàn)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(qiáng)磁場輸運(yùn)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(jì)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(huì)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(fèi)米子超導(dǎo)材料;2014—2015年，發(fā)現(xiàn)第一個(gè)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(gè)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(jī)超導(dǎo)家族增添了幾個(gè)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(duì)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(bào)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(gè)強(qiáng)國。” 2008年鐵基超導(dǎo)被多家機(jī)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(duì)獲得了2009年度“求是杰出科學(xué)成就集體獎(jiǎng)”和2013年度國家自然科學(xué)一等獎(jiǎng)，這些獎(jiǎng)項(xiàng)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(huì)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(jī)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(qiáng)度屬于中度，采用傳統(tǒng)的理論數(shù)值計(jì)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(jī)理研究帶來了巨大挑戰(zhàn)，因?yàn)楝F(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(dú)立的，互相之間還存在復(fù)雜的相互作用。幸運(yùn)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(shí)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(gè)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(shí)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(shí)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(shí)驗(yàn)上成功測量了200萬個(gè)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(jī)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(jī)理的面紗終會(huì)全面揭開，整個(gè)凝聚態(tài)物理也將發(fā)生革命性的變化?？v觀超導(dǎo)材料探索歷史，幾乎每年度都會(huì)有多個(gè)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(huì)實(shí)現(xiàn)。在超導(dǎo)強(qiáng)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(huì)給世界帶來翻天覆地的變化。中國人的超導(dǎo)夢，將會(huì)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(huì)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(huì)仟：高溫超導(dǎo)30載過去、現(xiàn)在和未來
