鐵基超導(dǎo)（化合物含鐵在低溫時(shí)的超導(dǎo)現(xiàn)象）
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鐵基超導(dǎo)
化合物含鐵在低溫時(shí)的超導(dǎo)現(xiàn)象
鐵基超導(dǎo)，即鐵基超導(dǎo)電性，具備這種特性的材料叫超導(dǎo)體。鐵基超導(dǎo)體是指化合物中含有鐵，在低溫時(shí)具有超導(dǎo)現(xiàn)象，且鐵扮演形成超導(dǎo)的主體的材料。
基本信息
| 中文名 | 鐵基超導(dǎo) |
| 特殊現(xiàn)象 | |
| 全稱 | 鐵基超導(dǎo)電性 |
| 性質(zhì) | 超導(dǎo)體 |
晶體結(jié)構(gòu)
現(xiàn)有的鐵基超導(dǎo)體從結(jié)構(gòu)上可分為四類：（1111）、（122）、（111）和 (11)。
“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;
“122”體系成員包括AFeAs(A = Ba, Sr, K,Cs, Ca, Eu)等;
“111”體系成員包括AfeAs (A = Li, Na)等;
“11”體系成員包括FeSe(Te)等.
溫度 (K) | |
LaOFFeAs | 26 |
LaOFFeAs | 28.5 |
CeFeAsOF | 41 |
SmFeAsOF | 43 |
LaYFeAsO | 43.1 |
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溫度 (K) | |
BaKFeAs | 38 |
CaNaFeAs | 26 |
CaFeCoAsF | 22 |
SrSmFeAsF | 56 |
LiFeAs | <18 |
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最新成果1
2006年日本東京工業(yè)大學(xué)細(xì)野秀雄教授的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)第一個(gè)以鐵為超導(dǎo)主體的化合物L(fēng)aFeOP ，打破以往普遍認(rèn)定鐵元素不利形成超導(dǎo)迷思。根據(jù)BCS理論，產(chǎn)生超導(dǎo)性的必要條件是材料中的電子必須配對(duì)，這樣配對(duì)的電子稱為庫柏對(duì)。庫柏對(duì)中的兩個(gè)電子自旋相反，所以總自旋為零，因而科學(xué)家認(rèn)為超導(dǎo)性與鐵磁性可能無法共存，材料中如果加入磁性元素（如鐵、鎳）會(huì)大大降低超導(dǎo)性。鐵基超導(dǎo)體雖然含有鐵元素且是產(chǎn)生超導(dǎo)的主體，但是鐵和其他元素（如砷、硒）形成鐵基平面后，已不再具有鐵磁性。2008年二月初，細(xì)野秀雄教授的團(tuán)隊(duì)再度發(fā)表鐵基層狀材料La[OF]FeAs（x = 0.05 – 0.12）在絕對(duì)溫度26K時(shí)存在超導(dǎo)性。2008年3月28日，中國科學(xué)院物理研究所趙忠賢領(lǐng)導(dǎo)的科研小組報(bào)告，氟摻雜鐠氧鐵砷化合物的高溫超導(dǎo)臨界溫度可達(dá)52開爾文（零下221.15℃）。4月13日該科研小組又有新發(fā)現(xiàn)：氟摻雜釤氧鐵砷化合物假如在壓力環(huán)境下產(chǎn)生作用，其超導(dǎo)臨界溫度可進(jìn)一步提升至55開爾文（零下218.15℃）。此外，中科院物理所聞海虎領(lǐng)導(dǎo)的科研小組還報(bào)告，鍶摻雜鑭氧鐵砷化合物的超導(dǎo)臨界溫度為25開爾文（零下248.15℃）。 ，從此研究鐵基超導(dǎo)體便在世界上形成一股熱潮。引起許多科學(xué)家的興趣的重要原因之一在于鐵基超導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)與高溫超導(dǎo)的銅氧平面類似，超導(dǎo)性發(fā)生在鐵基平面上，屬于二維的超導(dǎo)材料。因此盡管鐵基超導(dǎo)體的臨界溫度只有數(shù)十K，研究鐵基超導(dǎo)體可能有助于了解高溫超導(dǎo)的機(jī)制。
中國研制成世界首根100米量級(jí)鐵基超導(dǎo)長線：據(jù)《中國科學(xué)報(bào)》報(bào)道，日前，中科院電工研究所馬衍偉研究組成功研制出國際第一根100米量級(jí)的高性能122型鐵基超導(dǎo)長線，實(shí)現(xiàn)了鐵基超導(dǎo)線帶材領(lǐng)域的新突破。相關(guān)成果發(fā)表于《物理學(xué)C輯》。
最新成果2
中科院電工研究所研究員馬衍偉帶領(lǐng)科研團(tuán)隊(duì)成功研制出世界首根100米量級(jí)鐵基超導(dǎo)長線。這一成果創(chuàng)造了鐵基超導(dǎo)材料從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)化。
鐵基超導(dǎo)材料在工業(yè)、醫(yī)學(xué)、國防等諸多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，如核磁共振成像儀、高場(chǎng)磁體、電纜、電機(jī)、儲(chǔ)能等，被《科學(xué)》雜志認(rèn)為是最具有發(fā)展前景的新型高溫超導(dǎo)體之一。業(yè)內(nèi)專家表示，這一成果表明我國已率先掌握了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的鐵基超導(dǎo)長線制備技術(shù)，為其在強(qiáng)電領(lǐng)域的實(shí)用化和產(chǎn)業(yè)化奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
獲獎(jiǎng)情況
鐵基超導(dǎo)于北京2014年1月10日在國家自然科學(xué)一等獎(jiǎng)連續(xù)三年空缺之后，以趙忠賢、陳仙輝、王楠林、聞海虎和方忠為代表的中國科學(xué)院物理研究所和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)?wèi){借“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”，把2013年度國家自然科學(xué)一等獎(jiǎng)收入囊中。早在1989年，物理所趙忠賢等科研人員憑借“液氮溫區(qū)氧化物超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)及研究”就曾獲得國家自然科學(xué)一等獎(jiǎng)。
發(fā)展歷程
鐵基超導(dǎo)——凝聚態(tài)物理天空中閃耀的新星
（右）超導(dǎo)體的完全抗磁性
這還得從神秘又奇特的超導(dǎo)體說起。1911年4月8日，荷蘭萊頓實(shí)驗(yàn)室的昂尼斯等人利用他們剛剛液化的最后一種氣體——液氦研究金屬在低溫下的電阻，當(dāng)他們把金屬汞降溫到4.2 K（熱力學(xué)溫標(biāo)中0 K對(duì)應(yīng)著零下273.2攝氏度，4.2 K即相當(dāng)于零下269攝氏度）時(shí)，發(fā)現(xiàn)其電阻值突然降到儀器測(cè)量范圍的最小值之外，即可認(rèn)為電阻降為零。昂尼斯把這種物理現(xiàn)象叫做超導(dǎo)，寓意超級(jí)導(dǎo)電，他本人因此獲得了1913年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。繼第一個(gè)超導(dǎo)體金屬汞被發(fā)現(xiàn)之后，人們又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了許多單質(zhì)金屬及其合金在低溫下都是超導(dǎo)體。1933年，德國物理學(xué)家邁斯納指出，超導(dǎo)體區(qū)別于理想金屬導(dǎo)體，除了零電阻外，它還具有另一種獨(dú)立的神奇特性——完全抗磁性。超導(dǎo)體一旦進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)，就如同練就了“金鐘罩、鐵布衫”一樣，外界磁場(chǎng)根本進(jìn)不去，材料內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度為零。同時(shí)具有零電阻和抗磁性是判斷超導(dǎo)體的雙重標(biāo)準(zhǔn)，單憑這兩大高超本領(lǐng)，超導(dǎo)就具有一系列強(qiáng)電應(yīng)用前景。利用零電阻的超導(dǎo)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(dǎo)發(fā)電機(jī)、變壓器、儲(chǔ)能環(huán)；可以在較小空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)磁場(chǎng)，從而獲得高分辨的核磁共振成像、進(jìn)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(dǎo)體，在人們?nèi)粘Ｉ钪袇s遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如半導(dǎo)體那么聲名遠(yuǎn)播呢？這是因?yàn)榘雽?dǎo)體在室溫下就能用，但超導(dǎo)體往往需要非常低的溫度環(huán)境（低于其超導(dǎo)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(dǎo)應(yīng)用的成本。解決這一問題關(guān)鍵在于尋找更高臨界溫度的超導(dǎo)體，特別是室溫超導(dǎo)體——這是所有超導(dǎo)研究人員的終極夢(mèng)想。
在探索新超導(dǎo)體過程中，物理學(xué)家同時(shí)擔(dān)任著另一項(xiàng)重要科學(xué)任務(wù)——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(fèi)曼等在內(nèi)的世界上許多頂級(jí)聰明的物理學(xué)家都曾試圖完成這個(gè)任務(wù)，絕大部分都是失敗的嘗試，在等待了漫長的46年之后的1957年，常規(guī)金屬超導(dǎo)微觀理論在美國三名物理學(xué)家手上被成功建立，這個(gè)理論以他們的名字（巴丁、庫伯、施里弗）命名為BCS理論。BCS理論認(rèn)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。因?yàn)楣腆w材料中的原子總是在平衡位置附近不停地?zé)嵴駝?dòng)，原子核和其內(nèi)部電子構(gòu)成帶正電的原子實(shí)會(huì)對(duì)“路過”帶負(fù)電的電子存在吸引相互作用，如果兩個(gè)電子運(yùn)動(dòng)方向相反（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，就像冰面上兩個(gè)舞者互相拋接球一樣，這種作用力導(dǎo)致材料中電子兩兩配對(duì)。配對(duì)后的電子對(duì)又叫庫伯對(duì)，如果所有庫伯對(duì)在運(yùn)動(dòng)過程中保持步調(diào)一致，那么配對(duì)電子即便受到運(yùn)動(dòng)阻礙也會(huì)兩兩相消，使得整個(gè)配對(duì)的自由電子群體都可以保證能量損失為零，從而實(shí)現(xiàn)零電阻狀態(tài)。盡管BCS理論如此美妙地用“電子配對(duì)、干活不累”的創(chuàng)意解決了常規(guī)金屬合金超導(dǎo)機(jī)理問題，但其創(chuàng)新大膽的思想?yún)s遲遲難以被人們所接受，直到被實(shí)驗(yàn)所證實(shí)才于1972年被頒發(fā)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。有了理論指引，更高臨界溫度的超導(dǎo)體似乎已經(jīng)可以“按圖索驥”，然而，興奮的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家只在三鈮化鍺合金中找到了23.2 K的超導(dǎo)，歷時(shí)60余年的超導(dǎo)探索之路，如同烏龜踱步一樣，路漫漫其修遠(yuǎn)。何處是曙光？理論物理學(xué)家再次無情地潑了一大瓢冷水——在BCS理論框架下，所有的超導(dǎo)體臨界溫度存在一個(gè)40 K的理論上限，稱作麥克米蘭極限。
超導(dǎo)體發(fā)現(xiàn)年代及其臨界溫度
室溫超導(dǎo)停滯在164 K這個(gè)世界紀(jì)錄上，再也難以往上挪動(dòng)半步。人們?cè)噲D在液氮溫區(qū)大規(guī)模推廣高溫超導(dǎo)強(qiáng)電應(yīng)用技術(shù)時(shí)，發(fā)現(xiàn)它實(shí)際上“中看不中用”。本質(zhì)為陶瓷材料的銅氧化物在力學(xué)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(shí)失去超導(dǎo)電性而迅速發(fā)熱。科學(xué)家們經(jīng)過20余年的工藝努力，銅氧化物超導(dǎo)線圈雖然已開始步入市場(chǎng)，但絕大部分超導(dǎo)強(qiáng)電應(yīng)用還停留在常規(guī)金屬合金超導(dǎo)體上。不過銅基超導(dǎo)的弱電應(yīng)用同樣發(fā)展迅速，利用其制備成的超導(dǎo)量子干涉儀是目前世界上最靈敏的磁探測(cè)技術(shù)，而用銅氧化物超導(dǎo)薄膜制備的超導(dǎo)微波器件正在走向商業(yè)化和市場(chǎng)化，未來世界還可能出現(xiàn)以超導(dǎo)比特為單元的量子計(jì)算機(jī)——一種基于量子力學(xué)原理的高速計(jì)算機(jī)。由于銅基超導(dǎo)體在非常規(guī)超導(dǎo)體中最為特殊，因此也具有非常重要的基礎(chǔ)研究價(jià)值，高溫超導(dǎo)電性的微觀機(jī)理，成為凝聚態(tài)物理學(xué)皇冠上的明珠之一。挑戰(zhàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)比想象中的困難，人們發(fā)現(xiàn)高溫超導(dǎo)體里很多新奇物理現(xiàn)象可能超出了現(xiàn)有物理學(xué)理論體系所能理解的范疇，其中最為麻煩的就是，這類材料中電子之間存在很強(qiáng)的相互關(guān)聯(lián)效應(yīng)，成為強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系。經(jīng)過近30年的奮斗，人們對(duì)銅基超導(dǎo)體取得共識(shí)的研究結(jié)論寥寥無幾，更多的是充滿爭(zhēng)議和困惑。理論上來指導(dǎo)尋找更高臨界溫度超導(dǎo)體，近乎癡人說夢(mèng)，而實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家只能憑經(jīng)驗(yàn)和感覺來大海撈針。
2008年3月1日-5日，活躍在超導(dǎo)研究最前沿的一群中國科學(xué)家齊聚在中國科學(xué)院物理研究所，這里正在召開“高溫超導(dǎo)機(jī)制研究態(tài)勢(shì)評(píng)估研討會(huì)”，探討迷惘的高溫超導(dǎo)研究未來之路，試圖甄別銅基高溫超導(dǎo)研究的突破點(diǎn)。此時(shí)，同一棟樓里的超導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室和極端條件實(shí)驗(yàn)室里已悄然走在了超導(dǎo)研究變革的前沿。2008年2月23日，日本西野秀雄研究小組報(bào)道了在氟摻雜的鑭-鐵-砷-氧體系中存在26 K的超導(dǎo)電性。中國科學(xué)家在得知消息的第一時(shí)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(zhì)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(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更新。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)，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(jìn)行不同的摻雜而獲得超導(dǎo)電性。鐵基超導(dǎo)家族成員數(shù)目粗略估計(jì)有3000多種（許多還尚待發(fā)現(xiàn)），可謂是目前發(fā)現(xiàn)的最龐大超導(dǎo)家族。鐵基高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)無疑為當(dāng)時(shí)幾近低迷的高溫超導(dǎo)研究注入了一股前所未有的“強(qiáng)心劑”，已逾百年的超導(dǎo)研究從此煥發(fā)了新一輪的青春活力。
作為繼銅基超導(dǎo)體之后的第二大高溫超導(dǎo)家族，鐵基超導(dǎo)體具有更加豐富的物理性質(zhì)和更有潛力的應(yīng)用價(jià)值。它和銅基超導(dǎo)體存在“形似而神不似”關(guān)系，晶體結(jié)構(gòu)、磁性結(jié)構(gòu)和電子態(tài)相圖均非常類似；但是它從電子結(jié)構(gòu)角度又屬于類似二硼化鎂那樣的多帶超導(dǎo)體；其母體更具有金屬性，和具有絕緣性的銅氧化物母體截然不同（銅氧化物僅在摻雜后才出現(xiàn)金屬性）；最新研究結(jié)果已經(jīng)確認(rèn)電子配對(duì)概念仍然適用，在配對(duì)媒介上可能和銅基超導(dǎo)體類似，但配對(duì)方式上卻更接近于傳統(tǒng)金屬超導(dǎo)體；總體來說，鐵基超導(dǎo)體更像是介于銅基超導(dǎo)體和傳統(tǒng)金屬超導(dǎo)體之間的一個(gè)橋梁。通過多年來在銅基超導(dǎo)研究中的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)積累，鐵基超導(dǎo)研究的進(jìn)度已經(jīng)大大加速，新世紀(jì)以來的研究成果幾乎可以和銅基超導(dǎo)近30年以來的研究成果相匹敵，在某些方面甚至超越了之前高溫超導(dǎo)研究的認(rèn)識(shí)。有了這道橋梁，高溫超導(dǎo)研究之路已經(jīng)不再像是空中樓閣，而是“有徑可循”了，高溫超導(dǎo)的微觀機(jī)理的神秘面紗正在緩緩揭開。在應(yīng)用方面，鐵基超導(dǎo)體由于其金屬性，更加容易被加工成線材和帶材，而其可承載的上臨界磁場(chǎng)/臨界電流和銅基超導(dǎo)體相當(dāng)，甚至有可能更優(yōu)越。當(dāng)然，制備鐵基超導(dǎo)材料大部分情況下需要砷化物和堿金屬或堿土金屬，具有較強(qiáng)的毒性同時(shí)又對(duì)空氣異常敏感，這對(duì)材料制備工藝和使用安全方面提出了更高的要求。在超導(dǎo)的弱電應(yīng)用方面，鐵基超導(dǎo)還處在剛剛起步階段，相對(duì)已經(jīng)趨于成熟的銅基超導(dǎo)弱電應(yīng)用還有很大差距。從材料角度來說，鐵基超導(dǎo)體更具有靈活多變性，這讓高溫超導(dǎo)的研究空間大大得到了拓展，許多實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象也可以在不同體系進(jìn)行比照研究，從而得出更加普適的結(jié)論。如前所述，幾乎在鐵基母體材料任何一個(gè)原子位置進(jìn)行不同價(jià)位甚至同價(jià)位的元素?fù)诫s都可以實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)電性，不同體系材料超導(dǎo)電性隨著外界壓力演變也有所不同。更有趣的是，日本科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)用各種酒泡過的母體材料也可以超導(dǎo)，真是“醉翁之意不在酒，在乎超導(dǎo)之間也”！鐵基超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)極大地鼓舞了超導(dǎo)材料探索者的信心，正如發(fā)現(xiàn)二硼化鎂的日本科學(xué)家豪言：“我相信世界上所有材料都有可能成為超導(dǎo)體，只要引入足夠多載流子或足夠強(qiáng)的壓力或足夠低的溫度等外界條件，就有希望實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)！”
鐵基超導(dǎo)體發(fā)現(xiàn)時(shí)間及其超導(dǎo)臨界溫度
科學(xué)意義
物理學(xué)家麥克米蘭根據(jù)傳統(tǒng)理論計(jì)算推斷，超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變溫度不能超過40K，約零下233攝氏度。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)研究的科學(xué)意義在于，首次突破麥克米蘭極限溫度，確定鐵基超導(dǎo)體為新一類高溫超導(dǎo)體；合成系列鐵基高溫超導(dǎo)體并確認(rèn)為第二個(gè)高溫超導(dǎo)家族，創(chuàng)造并保持55K鐵基超導(dǎo)體臨界溫度的最高紀(jì)錄。
相關(guān)評(píng)論
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。——美國《科學(xué)》雜志
鐵基超導(dǎo)在2008年被多家媒體評(píng)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)。可以說，鐵基超導(dǎo)的研究加速了高溫超導(dǎo)機(jī)理的解決進(jìn)程，使得人們完全有理由相信在不久的將來，室溫超導(dǎo)可以被實(shí)現(xiàn)并被廣泛應(yīng)用。 ——美國《科學(xué)》雜志
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尚可名片
這家伙太懶了，什么都沒寫！
作者
