铁基超导：物理学中的“超新星”

在今年年初召开的国家科学技术奖励大会上，空缺多年的国家自然科学一等奖被铁基超导研究团队获得。铁基高温超导研究的热潮自2008年兴起，至今仍然是凝聚态物理基础研究的前沿科学之一，吸引了世界上诸多优秀科学家的目光。为什么铁基超导如此特别？它的发现对基础物理研究有什么重要影响？中国人在铁基超导研究中又扮演了什么样的角色？

　　奇特的超导体

　　1911年4月8日，当荷兰科学家昂尼斯利用液氦研究金属在低温下的电阻状况时，他惊奇地发现，金属汞降温到4.2 K（热力学温标中0 K对应着零下273.2℃，4.2 K即相当于零下269℃）其电阻值突然降到仪器测量范围的最小值之外，即可认为电阻降为零。昂尼斯把这种物理现象称为超导，意为超级导电，他本人因此获得了1913年的诺贝尔物理学奖。

　　继第一个超导体金属汞被发现之后，人们又陆续发现许多单质金属及其合金在低温下都是超导体。1933年，德国物理学家迈斯纳指出，超导体区别于理想金属导体，除了零电阻外，它还具有另一种特性，即完全抗磁性。超导体一旦进入超导态，就如同练就了“金钟罩、铁布衫”一样，外界磁场根本进不去，材料内部磁感应强度为零。

　　同时具有零电阻和抗磁性是判断超导体的双重标准，单凭这两大高超本领，超导就具有一系列应用前景。利用零电阻的超导材料替代有电阻的常规金属材料，可以节约输电过程中造成的大量热损耗；可以组建超导发电机、变压器、储能环；可以在较小空间内实现强磁场，从而获得高分辨的核磁共振成像、进行极端条件下的物性研究、发展安全高速的磁悬浮列车等等。

　　可是，如此神通广大的超导体，在日常应用中为什么远远不如半导体那么声名远扬呢？这是因为半导体在室温下就能用，但超导体往往需要非常低的温度环境（低于其超导临界温度），这种低温环境一般依赖于昂贵的液氦来维持，这极大地增加了超导应用的成本。解决这一问题关键在于寻找更高临界温度的超导体，特别是室温超导体——这是所有超导研究人员的终极梦想。

　　“电子配对、干活不累”

　　除了不断发现新的超导体，物理学家还面临着另一项重要科学任务——从微观层面解释为什么电子能够在固体材料中“畅行无阻”。包括爱因斯坦、玻尔和费曼等在内的世界上许多绝顶聪明的物理学家都曾试图完成这个任务，但大多以失败告终。直到1957年，常规金属超导微观理论才被美国3名物理学家成功建立起来，这个理论便根据他们的姓氏巴丁、库伯、施里弗命名为BCS理论。

　　BCS理论认为，常规金属合金中的自由电子除了人们熟知的库仑排斥作用外，还存在一种较弱的吸引相互作用。原子中，原子核及除价电子以外的内层电子组成原子实，由于它是带正电的，会对“路过”的带负电的电子存在吸引相互作用。如果两个电子运动方向相反（动量相反），那么它们各自与周围原子实的相互作用就可以等效为它们之间存在一种弱的吸引相互作用，就像冰面上两个舞者互相抛接球一样，这种作用力导致材料中电子两两配对。配对后的电子对又叫库伯对，如果所有库伯对在运动过程中保持步调一致，那么配对电子即便受到运动阻碍也会两两相消，从而实现零电阻状态。

　　尽管BCS理论如此美妙地用“电子配对、干活不累”的创意解决了常规金属合金超导机理问题，但其大胆的思想却迟迟未被接受，直到该理论最终被实验所证实，3位科学家才于1972年获得诺贝尔物理学奖。

　　突破“麦克米兰极限”

　　有了理论指引，更高临界温度的超导体似乎可以“按图索骥”，但实际远未如此。因为在BCS理论框架下，所有的超导体临界温度存在一个40 K（约为零下233℃）的理论上限，被称为“麦克米兰极限”。它会是一个无法逾越的障碍吗？

　　研究表明，元素周期表中许多金属单质在低温下都是超导体，还有的在高压下也能实现超导，这些单质炼成合金，临界温度将更高，它们统称为“金属合金超导体”；一些金属化合物中电子尽管显得“很笨重”，但也能实现超导，被归为“重费米子超导体”；碳60和碱金属的化合物甚至一些有机材料也是超导体，被划为“有机超导体”；更令人欣喜的是，许多往往被认为导电性能很差的金属氧化物如钛氧化物、铌氧化物、铋氧化物、钌氧化物、钴氧化物等也是超导体。超导，几乎无处不在！

　　既然“条条大路通超导”，物理学家开始了更大胆的探索，他们在通常认为是绝缘体的铜氧化物陶瓷材料中寻找可能的超导电性。德国人柏诺兹和瑞士人缪勒在镧-钡-铜-氧体系发现可能存在35 K的超导电性。尽管临界温度尚未突破40 K，但是35 K已经是当时所有超导体临界温度的新纪录，为此二人获得了1987年的诺贝尔物理学奖。

　　一场攀登超导巅峰之战由此拉开帷幕，其中不乏中国人和华人科学家的身影。1987年2月，美国的朱经武、吴茂昆研究组和中科院物理所的赵忠贤研究团队分别独立发现在钇-钡-铜-氧体系存在90 K 以上的临界温度，超导研究首次成功突破了液氮温区（液氮的沸点为77 K）。采用较为廉价的液氮将极大地降低超导的应用成本，使得超导大规模应用和深入科学研究成为可能，赵忠贤研究团队也因此获得1989年国家自然科学一等奖。

　　此后，超导临界温度纪录以火箭般速度往上窜，目前世界上最高临界温度的超导体是汞-钡-钙-铜-氧体系（常压下135 K，高压下164 K），由朱经武研究小组于1994年创下。由于铜氧化物超导体临界温度远远突破了40 K的“麦克米兰极限”，被人们统称为“高温超导体”（这里的高温，实际上只是相对金属合金超导体较低的临界温度而言）。

　　铁基超导横空出世

　　然而，当人们试图在液氮温区大规模推广高温超导强电应用技术时，发现它实际上“中看不中用”。本质为陶瓷材料的铜氧化物在力学性能上显得脆弱不堪，缺乏柔韧性和延展性，在物理上其临界电流密度太小，容易在承载大电流时失去超导电性而迅速发热。而铜基超导的弱电应用则得到很大发展，利用其制备成的超导量子干涉仪是目前世界上最灵敏的磁探测技术，而用铜氧化物超导薄膜制备的超导微波器件正在走向商业化和市场化，未来世界还可能出现以超导比特为单元的量子计算机——一种基于量子力学原理的高速计算机。2008年2月23日，日本西野秀雄研究小组报道了在氟掺杂的镧-铁-砷-氧体系中存在26 K的超导电性。中国科学家得知消息后在第一时间里合成了该类材料并开展了物性研究，其中中科院物理所和中国科大的研究人员采用稀土替代方法获得了一系列高质量的样品，惊喜地发现其临界温度突破了40 K，优化合成方式之后可以获得55 K的高临界温度。新一代高温超导家族——铁基高温超导体就此诞生。

　　在随后几年里，新的铁基超导体系不断被发现，典型母体如镧-铁-砷-氧、钡-铁-砷、锂-铁-砷、铁-硒等，这些材料几乎在所有的原子位置都可以进行不同的掺杂而获得超导电性。铁基超导家族成员数目粗略估计有3000多种（许多还尚待发现），可谓是目前发现的最庞大的超导家族。

　　作为继铜基超导体之后的第二大高温超导家族，铁基超导体具有更加丰富的物理性质和更有潜力的应用价值。它和铜基超导体存在“形似而神不似”的关系，总体来说，铁基超导体更像是介于铜基超导体和传统金属超导体之间的一个桥梁。有了这道桥梁，高温超导研究之路已经不再是空中楼阁，而是有径可循了，高温超导的微观机理的神秘面纱正在缓缓揭开。

　　在应用方面，铁基超导体更加容易被加工成线材和带材，而其可承载的临界磁场/临界电流和铜基超导体相当，甚至有可能更优越。当然，制备铁基超导材料对制备工艺和使用安全方面提出了更高的要求。在超导的弱电应用方面，铁基超导还处在刚刚起步阶段，相对已经趋于成熟的铜基超导弱电应用还有很大差距。

　　突破常规的发现

　　在含铁的化合物中寻找到高温超导电性是一件突破常规的事情，因为通常认为铁的磁性会极大地破坏超导。然而出乎人们意料的是，铁砷化物母体中掺杂磁性离子如钴和镍反而会诱发超导电性，铁基超导的发现证明磁性和超导其实完全可以“和平共处”，新超导体的发现往往就在打破常规之处。

　　实际上，早在1990年，镧-铁-磷-氧材料就已经被德国科学家发现，到了2000年，具有同样晶体结构的稀土-铁砷化物也被成功制备。遗憾的是，他们没有进一步用氟替代掺杂，与新超导体的发现只能擦肩而过，而西野秀雄等人准确地把握住了这个机会。类似地，中国科学家利用稀土替代效应而成功突破“麦克米兰极限”，也是凭借常年研究超导养成的敏锐洞察力，从而在第一时间把握重要机遇。

　　正是由于中国科学家的努力推动，铁基超导步入高温超导大家族，极大地吸引了全世界研究者的目光。在已发现的10种左右铁基超导体系中，中国科学家独立发现了其中4种。在近两年，中国科学家还发现高温超导其实并不需要太复杂的结构，只需在特殊基片上生长薄薄一层铁-硒原子层就可以实现60 K以上的高温超导。可以说，铁基超导的研究加速了高温超导机理的解决进程，使得人们完全有理由相信在不久的将来，室温超导可以被实现并被广泛应用。到那时，我们生活的世界将出现翻天覆地的变化。

　　【责任编辑】庞 云