铁基超导:凝聚态物理天空中闪耀的新星

作者: 罗会仟

来源: 《百科知识》

发布日期: 2014-01-27

铁基超导是凝聚态物理学领域的前沿科学之一,自2008年以来的研究热潮中,中国科学家在铁基超导研究中取得了显著成就,发表了大量研究论文,并在国际上占据了重要地位。铁基超导的发现不仅突破了传统超导理论的限制,还为高温超导机理的研究和应用带来了新的希望。

在2014年1月10日国家科学技术奖励大会上,多年空缺的国家自然科学一等奖被铁基超导研究团队获得。随着新闻报道的铺开,“铁基高温超导”一词再次被人们所关注。自2008年凝聚态物理学领域掀起铁基高温超导研究热潮以来,铁基超导的科学研究已经步入第六个年头,发表的有关铁基超导研究论文已经数万篇。截止到2013年2月,全世界在铁基超导研究领域被引用数排名前20的论文中,9篇来自中国。

铁基超导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着什么样的重要影响?中国人在铁基超导洪流中起到了什么样的角色?这还得从神秘又奇特的超导体说起。

1911年4月8日,荷兰莱顿实验室的昂尼斯等人利用他们刚刚液化的最后一种气体——液氦研究金属在低温下的电阻,当他们把金属汞降温到4.2 K时,发现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叫做超导,寓意超级导电,他本人因此获得了1913年的诺贝尔物理学奖。

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,但其创新大胆的思想却迟迟难以被人们所接受,直到被实验所证实才于1972年被颁发诺贝尔物理学奖。有了理论指引,更高临界温度的超导体似乎已经可以“按图索骥”,然而,兴奋的实验物理学家只在三铌化锗合金中找到了23.2 K的超导,历时60余年的超导探索之路,如同乌龟踱步一样,路漫漫其修远。何处是曙光?

理论物理学家再次无情地泼了一大瓢冷水——在BCS理论框架下,所有的超导体临界温度存在一个40 K的理论上限,称作麦克米兰极限。

2008年3月1日-5日,活跃在超导研究最前沿的一群中国科学家齐聚在中国科学院物理研究所,这里正在召开“高温超导机制研究态势评估研讨会”,探讨迷惘的高温超导研究未来之路,试图甄别铜基高温超导研究的突破点。此时,同一栋楼里的超导实验室和极端条件实验室里已悄然走在了超导研究变革的前沿。

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。

中国科学家在得知消息的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,这一次从新超导体发现到临界温度突破麦克米兰极限仅仅用了不到三个月的时间,新的超导记录几乎以天为单位在不断更新。

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