鐵基高溫超導體的發現及近期研究進展

高　繹

(南京師范大學物理科學與技術學院，江蘇　南京　210023)

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鐵基高溫超導體的發現及近期研究進展

高繹

(南京師范大學物理科學與技術學院，江蘇南京210023)

本文介紹了傳統超導材料及高溫超導材料，特別是鐵基高溫超導體的發現及近期的研究進展，以普及超導知識，為廣大教育工作者提供一個與科研最前沿接觸的機會.

鐵基高溫超導體；超導轉變溫度；超導機理

1　引言

1911年荷蘭科學家昂納斯發現：當溫度降至4.2K以下時，汞的電阻消失了，這種電阻為零的現象被稱為超導.迄今為止，發現大部分的金屬以及一些合金材料在低溫下都具有超導現象.美國科學家巴丁、庫珀和施瑞佛在1957年對材料的超導電性做出了理論解釋，他們指出：超導是由材料中電子與聲子的相互作用，即電子與晶格原子振動的相互作用所造成的[1].他們的理論被稱為BCS理論，這種由電-聲子相互作用導致超導的超導體被稱為常規超導體，或傳統超導體，受制于麥克米蘭極限，這類超導體的超導轉變溫度不可能超過39K.1986年，德國和瑞士的科學家伯諾茲和繆勒首次發現了一類基于銅元素的超導體[2]，這類材料是氧化物陶瓷，在常溫下是絕緣體，而一旦降溫，它們的超導轉變溫度大大超過了麥克米蘭極限的39K，最高可達150K左右，這類材料又被稱為高溫超導體.它們的超導機制不能用BCS理論解釋，這說明其機理很有可能不是電-聲子作用.高溫超導材料及其應用是全球競爭的戰略性新興產業，與傳統超導材料相比，這種新材料能在較高溫度下達到零電阻，在電力能源、高端醫療設備、軌道交通、大科學工程、軍工等領域有著廣泛的應用前景，30年來新型高溫超導材料的探索和超導機理的研究一直是凝聚態物理的一個重要研究方向.

2　鐵基超導體的發現

2008年日本科學家Kamihara等人發現在LaFeAsO1-xFx中，超導轉變溫度Tc達到26K[3].這一發現具有里程碑性的意義，立刻引起了超導界的廣泛關注，原因如下：第一，該發現導致了一系列具有更高Tc的材料的產生.在LaFeAsO1-xFx中，Takahashi等人發現4GPa的壓強可使超導轉變溫度從26K提高到43K[4].受其啟發，研究人員利用化學壓力，用更小的稀土元素離子如Gd、Sm、Nd、Pr、Ce替代La，在SmFeAsO0.85F0.15中測得Tc=43K[5]，隨后又在SmFeAsO0.85中將Tc提高至55K[6]，Tc為56K在Gd0.8Th0.2FeAsO、Sr0.5Sm0.5FeAsF和Ca0.4Nd0.6FeAs中被觀測到[7]，這種提高轉變溫度的方法(壓力以及化學壓力)與銅氧化物高溫超導體具有類似性.第二，Kamihara等人的發現導致了一類新的高溫超導體的產生，即鐵基超導體(“FePn”，Pn=As或P以及“FeCh”，Ch=S、Se或Te)，其種類多種多樣并且還在快速增加.目前鐵基超導體主要具有這樣幾種結構：(1) “1111”結構(稀土元素/鐵/磷族元素/氧，例如LaFeAsO)；(2) “122”結構(MFe2As2)，其中在K摻雜的BaFe2As2(Ba0.6K0.4Fe2As2)中，Tc可達38K；(3) “111”結構(MFeAs)；(4) “11”結構(FeSe)；(5) “21311”結構(Sr2MO3FePn，M=Sc，V或Cr)；(6) 新型“122”結構(AxFe2-ySe2).這些體系的許多物理性質既相互關聯，又有所不同，如何統一理解它們的超導機理是當前鐵基超導體研究中的一個熱點問題.第三，鐵基超導體的超導機制可能與磁性緊密關聯，這也是一個非常有趣的問題.目前主要認為鐵基超導體中的超導機制不是以聲子為媒介的.理論上可能的超導機制包括自旋漲落或軌道間電子對躍遷，如果確實如此，那么由于在這樣的機制中特征能量的尺度遠大于BCS理論中平均聲子能量尺度，因此有可能會導致更高的超導轉變溫度.第四，鐵基超導體的發現結束了銅氧化物在高溫超導領域一統天下的局面，為高溫超導探索研究注入了新的活力，目前在單層FeSe中，轉變溫度也可達100K左右.

3　鐵基超導體的近期研究進展

盡管鐵基超導體的種類多種多樣，但彼此之間仍有一些相似的性質，對于理解高溫超導體的超導機理起著至關重要的作用.這些相似性主要體現在這樣幾個方面：第一，與銅氧化物高溫超導材料的結構相似，鐵基超導材料也具有準二維的層狀結構.Fe原子組成平面四方網格，是產生超導電性的關鍵結構單元，電子的輸運和超導就發生在這些層中.第二，在大部分鐵基超導體中，磁性與超導相或是彼此相鄰、或是相互共存，表現出磁性與超導間的緊密關聯.并且與銅氧化物超導體類似，在鐵基超導體中，隨著摻雜量的增加，磁性逐漸消失，而超導轉變溫度隨摻雜量的變化關系呈現圓頂狀曲線.第三，角分辨光電子譜實驗發現：鐵基超導體中存在不連續的費米面以及費米面間的準嵌套[8].在布里淵區中心Γ點處有一些空穴型的費米面，而在布里淵區邊緣M點處則有一些電子型的費米面，并且有些費米面的大小、形狀相近，形成費米面準嵌套.在大小相近的費米面上超導能隙相對較大，隨著摻雜的進行，當費米面間的準嵌套被破壞時，超導電性也強烈地被抑制甚至消失.最后，與銅氧化物高溫超導體類似，中子散射實驗發現：在鐵基超導體中，在Tc以下存在自旋波共振峰，其波矢恰好連接準嵌套的費米面.這些實驗證據表明鐵基材料超導電性很可能與自旋漲落誘導的準嵌套費米面間的電子散射相關.

4　我國科學家的研究

對于鐵基超導體的研究，我國科學家做出了杰出的貢獻.比如，在超導材料的制備方面，中國科學院趙忠賢院士、王楠林研究員，中國科學技術大學陳仙輝院士，浙江大學方明虎教授、袁輝球教授、許祝安教授及中國人民大學陳根富教授等處于世界領先地位.中國科學院戴鵬程研究員及中國人民大學鮑威教授帶領各自的研究小組利用中子散射對鐵基超導體的磁結構及自旋動力學進行了詳盡的研究.中國科學院丁洪研究員、周興江研究員和復旦大學封東來教授的課題組利用角分辨光電子譜對鐵基超導體的能帶結構、費米面與超導能隙的大小等方面做了詳細考察.另外，南京大學聞海虎教授、清華大學薛其坤教授及中國科學院潘庶亨研究員利用掃描隧道顯微鏡研究了一系列鐵基超導體的態密度及磁通渦旋態，中國人民大學于偉強教授利用核磁共振對超導體中的自旋漲落進行了研究.在理論方面，中國科學院向濤研究員及中國人民大學盧仲毅教授利用第一性原理預言了鐵基超導體的能帶和可能的磁結構，并得到了實驗的驗證.南京大學李建新教授、王強華教授及中國科學院胡江平研究員對超導機制也做了大量的研究.

5　小結

目前世界上對鐵基超導材料的研究還在如火如荼地進行中，鐵基高溫超導材料的研究也于2014年獲得了國家自然科學一等獎.有關鐵基高溫超導體的研究，對整個高溫超導現象物理起源的理解有極大的啟發意義，有助于進一步加深對高溫超導機理的認識，也為發現新的高溫超導體提供了新的方向.

[1] Bardeen J, Cooper L N, and Schrieffer J R, Microscopic Theory of Superconductivity [J]. Physical Review, 1957, 106: 162; Bardeen J, Cooper L N, and Schrieffer J R, Theory of Superconductivity [J]. Physical Review, 1957, 108: 1175.

[2] Bednorz J G and Müller K A, Possible high Tcsuperconductivity in the Ba-La-Cu-O system [J]. Zeitschrift für Physik B Condensed Matter, 1986, 64: 189.

[3] Kamihara Y, Watanabe T, Hirano M, and Hosono H, Iron-Based Layered Superconductor La[O1-xFx]FeAs (x= 0.05-0.12) with Tc=26K [J]. Journal of the American Chemical Society, 2008, 130 (11): 3296.

[4] Takahashi H, Igawa K, Arii K, et al., Superconductivity at 43K in an iron-based layered compound LaO1-xFxFeAs [J]. Nature, 2008, 453: 376.

[5] Chen X H, Wu T, Wu G, et al., Superconductivity at 43 K in SmFeAsO1-xFx[J]. Nature, 2008, 453: 761.[6] Ren Z A, Che G C, Dong X L, et al., Superconductivity and phase diagram in iron-based arsenic-oxides ReFeAsO1-δ(Re = rare-earth metal) without fluorine doping [J]. Europhysics Letters, 2008, 83: 17002.

[7] Wang C, Li L J, Chi S, et al., Thorium-doping-induced superconductivity up to 56K in Gd1-xThxFeAsO [J]. Europhysics Letters, 2008, 83: 67006; Wu G, Xie Y L, Zhong M, et al., Superconductivity at 56K in samarium-doped SrFeAsF [J]. Journal of Physics: Condensed Matter, 2009, 21: 142203; Cheng P, Shen B, Mu G, et al., High-Tcsuperconductivity induced by doping rare-earth elements into CaFeAsF [J]. Europhysics Letters, 2009, 85: 67003.

[8] Ding H, Richard P, Nakayama K, et al., Observation of Fermi-surface-dependent nodeless superconducting gaps in Ba0.6K0.4Fe2As2[J]. Europhysics Letters, 2008, 83: 47001.

名師簡介：高繹(1981—)，男，江蘇南京人，南京大學博士，美國休斯頓大學德州超導中心博士后，南京師范大學物理科學與技術學院副教授、碩士生導師，研究方向為凝聚態物理.