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铁基超导体,作为继铜氧化物高温超导体发现后的第二个高温超导体家族,再一次打破了人们对传统超导的认识

2019-02-20

超导现象最早是由荷兰物理学家昂内斯(Kamerlingh Onnes)于1911年研究金属汞(Hg)在低温下的电阻时发现的:当温度降至4.2K以下时,汞的电阻突然消失。这种在低温下发生的零电阻现象被称为超导,电阻消失的温度叫做超导体的超导转变温度。
 


荷兰物理学家昂内斯(图片来源:诺贝尔基金会档案)
 

金属汞的电阻温度曲线(图片来源:罗会仟,周兴江 现代物理知识, 2012.24(2): 30-39)


除了零电阻,超导体还有另外一个基本特性——迈斯纳效应(完全抗磁性),即当超导体处于超导态时,超导体内部的磁场为零。超导体的完全抗磁性不能由零电阻的性质推演出来,二者相互独立,同时具有这两个性质的材料才叫做超导体。
 


迈斯纳效应示意图(图片来源:维基百科)


1957年,由巴丁(John Bardeen)、库伯(Leon Cooper)和施里弗(John Robert Schrieffer)提出的著名的微观超导理论——BCS 理论,非常成功地解释了金属或合金超导体的物理性质。

微观上来说,当超导材料处于超导临界温度之下时,材料中费米面附近的电子将通过相互作用媒介而两两配对,这些电子对将同时处于稳定的低能组态。配对后的电子处于凝聚体中,打破电子对需要付出一定的能量,这个能量称为超导能隙。在外加电场驱动下,所有电子对整体能够步调一致地运动,因此超导又属于宏观量子凝聚现象。
 


超导微观理论“BCS理论”(图片来源:维基百科)


铁基超导体

自1911年第一次发现超导电性以来,超导研究始终沿着两个重要的方向发展,一是探索新的超导材料,不断提高超导转变温度,另一个则是阐明超导机理,从微观层面上解释为什么电子能够在固体材料中畅通无阻。根据BCS理论,所有的金属合金超导体临界温度存在一个40K的理论上限,即麦克米兰极限。超导电性被发现后的近七十多年里,虽然不断有新的超导体被发现,但是金属和合金等这些常规超导体的超导转变温度普遍很低,都没能超越麦克米兰极限。

山重水复疑无路,柳暗花明又一村。

1986年,瑞士科学家Bednorz和Müller公布了他们在La-Ba-Cu-O化合物中观察到起始超导转变温度为35K的结果,这一出人意料的发现开创了TC的新纪录,在全世界范围内引起了探索高温超导体的热潮。随后发现的Y-Ba-Cu-O体系中存在90K以上的临界温度,首次突破了液氮温区,远远超过了麦克米兰极限。

2008年,日本东京大学的细野秀雄研究小组利用F替代O,在铁砷族化合物La[O1-xFx]FeAs中发现了2K的超导转变,铁基超导体被正式宣布发现。La[O1-xFx]FeAs在高压下可以达到43K的超导转变,再一次突破了麦克米兰极限,高温超导从此打开了一条新的通路。
 


超导体的发展历程(图片来源:维基百科)


日本物理学家细野秀雄(图片来源:东京工业大学官网)


随后中国科学家用稀土元素替代和高压合成方法,发现了一系列的铁基超导体。短短两个月,铁基超导体在常压下的超导转变温度从26K提升到了56K。

中国科学家的努力,让铁基超导跻身成为第二大高温超导家族,在铁基超导的洪流中做出了不可磨灭的贡献。目前已经发现的铁基超导体家族,从晶体结构上可以分为:

(1)11体系,即FeSe(Te),是晶体结构最简单的铁基超导体。值得一提的是,利用分子束外延生长的FeSe/SrTiO3薄膜,超导转变温度超过65K,受到了广泛的关注。
(2)111体系,即AFeAs(A为Li、Na等),LiFeAs的超导转变温度可以达到18K。
(3)122体系,即AeFe2As2(Ae为碱土金属元素,如Ba、Sr、Ca等)。由于高质量、大尺寸、不同掺杂浓度的122 体系超导单晶比较容易获得,因此122 体系是目前实验(ARPES、STM、Neutron Scattering)研究最多的铁基超导体之一。
(4)1111体系,即LnOFeAs(Ln为稀土元素,如La、Ce、Pr、Nd、Sm等)。赵忠贤院士领导的研究小组在利用高压合成技术合成Sm[O1-xFx]FeAs中获得了55K的超导转变温度,目前保持着铁基超导体块材的最高记录。
(5)其它体系,如基于11 体系插层形成的AxFe2−ySe2(A=K、Rb、Cs、Ti等),Aen+1MnOyFe2As2,Aen+2MnOyFe2As2[Ae=Ca、Sr、Ba,M=Sc、V、(Ti, Al)、(Ti, Mg)、(Sc, Mg)]等。
 


铁基超导体的晶体结构(图片来源:Chen,X.H. et al., Nature2008;453:761–2.)


铁基超导体打破了铁元素不利于超导的传统认识,推动了多轨道关联电子系统的研究和发展。与铜氧化物一样,铁基高温超导体研究蕴含着丰富的物理内涵。此外,铁基超导体具有非常高的超导临界磁场,制作工艺比较简单,有希望用于制备新一代超强超导磁体,有着很好的应用前景。

作为继铜氧化物高温超导体之后的第二大高温超导家族,铁基超导体的发现开辟了另外一条研究高温超导机理的道路,人们普遍相信距离建立高温超导微观理论已不远。超导研究继续充满着惊奇、机遇和挑战。期待在不远的将来,室温超导的梦想可以成为现实。

参考文献

[1] H. K. Onnes, A kad van Wetenschappen (Amsterdam) 14, 818 (1911).
[2] J. G. Bednorz et al., Z. Phys, B 64, 189-193 (1986).
[3] M. K. Wu et al., Phys. Rev. Lett. 58, 908 (1987).
[4] 赵忠贤等,科学通报 32, 412 (1987).
[5] Y. Kamihara et al., J. Am. Chem. Soc. 130, 3296 (2008).
[6] Takahashi, H. et al.,Nature 453,376–378(2008).
[7] Chen,X.H. et al., Nature2008;453:761–2.
[8] Ren, Z.A. et al., ChinPhysLett2008;25:2215.
[9] 张裕恒,超导物理 中国科学技术大学出版社
[10 Chen X. H. et al., Nat. Sci. Rev.,2014, 1: 371-395
[11] 罗会仟, 物理 2014.43(07): 430-438.
[12] 罗会仟,周兴江 现代物理知识, 2012.24(2): 30-39
[13] 周兴江. 科学通报, 2016, 62: 745 ~ 748


来源:科普中国