鐵基超導體及其發展趨勢概述

劉明坤 王紅宇 王浩 王天倚 何亮

摘要：鐵基超導體自2008年發現以來就受到人們的廣泛關注，對于鐵基超導體的研究主要包括探究更高的轉變溫度，鐵基超導體的應用以及鐵基超導體的制備方法等等。本文對鐵基超導體的發展及其特點進行了概述。

關鍵詞：鐵基超導體;超導轉變溫度;零電阻

一、超導現象和超導體

1911年，荷蘭科學家昂尼斯（Kamerlingh Onnes）將汞單質溫度降低到4.2 K時發現其電阻降為零，這是人類歷史上首次發現的超導現象[1]。所謂超導現象指的是當溫度降低到某一臨界溫度時，某些材料的電阻突然消失，同時內部磁感應強度也變為零的現象。自超導現象被發現以后，科學家們一直致力于對超導體的探索發現以及對超導現象微觀機理的研究。

超導體的基本參數主要有臨界溫度，臨界磁場以及臨界電流。其中臨界溫度Tc是限制超導體應用的最重要參數。除了具有零電阻現象之外，超導體還具有邁斯納效應、磁通量子效應、約瑟夫森效應等特殊的物理性質。超導體的這些特性決定著超導材料具有廣闊的應用前景：零電阻特性可以用于電流的無損傳輸，獲得普通的有阻導體所無法獲得的永久電流、產生強磁場等;邁斯納效應可以用于磁屏蔽;約瑟夫森效應可以用于微弱電磁測量等。這些應用領域包含了電工電力、交通、軍事、醫療衛生等與人們息息相關的領域。

二、鐵基超導體

鐵基超導體是2008年由日本的H.Hosono研究團隊首先發現的[2]，其研究成果表明LaFeAsO1-xFx具有26K的超導轉變溫度。這一發現打破了人們對于鐵元素不利于超導的固有認識，使得鐵基超導體正式的進入人們的視野。

鐵基超導體與同為高溫超導體的銅基超導體類似，是鐵元素與其他元素結合形成的超導體，且鐵元素是組成超導體的主要材料。鐵基超導體是通過摻雜引入空穴、電子或化學壓力壓制反鐵磁序誘導出超導電性。在鐵基超導體沒有出現以前，根據BCS理論提出的電子配對原則，普遍認為鐵這種具有鐵磁性的元素是不能成為超導體的，甚至在超導體中加入磁性元素都會大大降低超導性，但后來發現由于鐵元素成面后其鐵磁性會消失，所以在鐵基超導體材料中磁性和超導可以微觀存在，因此BCS理論并不能完全解釋鐵基超導體的超導機制。

鐵基超導體材料作為高溫超導體材料，比低溫超導材料具有更高的臨界轉變溫度和上臨界磁場。在臨界轉變溫度方面，鐵基超導體的轉變溫度要比銅基超導體的臨界轉變溫度低，但鐵基超導體同時具有各向異性較小等特點，且在外界有強磁場干擾的情況下仍然具有很強的載流能力。到目前為止，鐵基超導體的臨界電流密度可以高達105 A/cm2以上，可用于強磁場環境中。現有的鐵基超導材料種類繁多，按其成分和晶體結構，主要分為4大體系：“1111”體系、“122”體系、“111”體系和“11”體系[3]。

“1111”體系是最早發現的鐵基超導體的一族體系，也是目前研究最為深入的體系，該體系為ZrCuSiAs型四方晶體結構，空間群為P4/nmm，通常是F元素在O位置摻雜而成，目前轉變溫度最高的就是以SmFeAsO1-xFx為代表的“1111”體系的鐵基超導體。“1111”體系的鐵基超導體的臨界電流密度較高，上臨界場也比較高。

“122”體系是具有ThCr2Hr2層狀結構的鐵基超導體，是目前研究最為廣泛的一類體系。有很多化合物都具有ThCr2Hr2層狀結構，但是超導臨界溫度多數都小于5K。 “122”體系鐵基超導體的空間群為I4/mmm，且為體心四方點陣結構，在這類超導體中，“122”體系的鐵基超導體會在高溫下發生鐵空位的結構相變。

“111”體系的鐵基超導體具有四方的PbFCl晶體結構，是繼“1111”體系和“122”體系后第三個發現的體系，“111”體系的鐵基超導體較其他的鐵基超導體來說其電子的關聯性較弱，轉變溫度較低，但由于無需特殊的摻雜就能表現出超導性質，所以非常適用于基于表面實驗技術的研究。

“11”體系的鐵基超導體的結構簡單，對于制備有很大的便捷性，在應用時對于外包材料的要求比較少，同時“11”體系的鐵基超導體對摻雜敏感性高，雖然其轉變溫度低，但在應用上仍然具有重大的意義。

下面對四大體系以表格的形式對相關的特點進行總結。

三、鐵基超導體的發展歷程

繼日本的H.Hosono研究團隊發現鐵基超導體后，中國科學院物理研究所陳根富、王楠林團隊于2008年3月采用傳統的固相反應方法，先后成功制備了超導轉變溫度為40 K以上的Sm[O1-xFx]FeAs超導體[4]。幾乎同時，趙忠賢團隊通過高溫高壓合成結合輕稀土元素替代的方案，帶領團隊首次將鐵基超導體的臨界溫度從26K提高到52K[5]，顯著超過了40K的麥克米蘭極限。不久之后，在50K以上的鐵基系列超導體中，又合成出了絕大多數超導溫度在50K以上的超導體，創造了大塊鐵基超導體的最高臨界溫度55 K的記錄[6]。中國科學院物理研究所靳長青團隊于2008年6月30日公布，發現LiFeAs超導體在18K下表現為超導性，這一超導體由插入碳原子層構成，具有Cu2Sb型四方結構，空間群為P4/mmm，簡稱"FeAs-111"。除LiFeAs外，目前還發現NaFeAs具有9～26K的起始超導轉變溫度[7]，通過壓力可使Tc達到31K。美國普林斯頓大學 R.J.Cava實驗小組于2011年6月發現，電子型摻雜超導體Ca10（Pt3As8）（Fe2As2）和Ca10（Pt4As8）（Fe2As2）（Pt3As8）[8]，Tc分別為11K和26K，并將其縮寫為"FeAs-10-3-8"和"FeAs-10-4-8"。"10-3-8"屬于是三斜晶系，空間群是P-1，其晶格常數是a= b=8.759 ?，c = 10.641 ?，而"10-4-8"其晶格常數是a= b=8.733 ?，而c=10.481 ?。在2013年11月，日本名古屋大學和東京大學分別公開報告了一種新型FeAs超導體：Ca1-xLaxFeAs2[9]和（Ca，Pr）FeAs2[10]，Tc分別為20K和34K。這種超導體為單斜結構，空間群為P21，Fe2As2層中間夾有 Ca/La/Pr離子層和As-As鏈，As-As鏈位于 Ca/La/Pr離子層中間。 2016年5月，曹光旱課題組報道了由 CaFeAsF與KFe2As2共插層形成的KCa2Fe4As4F2超導體[11]，Tc為33 K，簡稱"FeAs-12244"這種超導體具有I4/mmm的晶體學空間群。

下面利用表格對上述鐵基超導體發展歷史中出現的典型的鐵基超導體的轉變溫度與晶胞參數進行匯總，匯總表格如下：

鐵基超導體是高溫超導體，所以臨界溫度比較高，且上臨界場和臨界電流密度也比較高，同時也具有各項異性較小的特點。在探究鐵基超導體的各項性質與影響的同時，這些特點也被加以利用，作為高溫超導體，最終的目的都是要應用到各項技術中去的，作為高溫超導體的第二大體系，鐵基超導體自然也有多種領域的應用，比如，利用其自身上臨界場較高，可以應用在各種外界磁場較高的環境中，例如：核磁技術;磁懸浮列車等等。

鐵基超導材料從2008年被發現到至今十余年的時間里，鐵基超導體的發展是十分迅速的，從零到突破麥克米蘭極限只用了短短的三個月時間。我國目前走在鐵基超導體研究的前沿，相信在科研工作者的不懈努力下，在不久的將來，鐵基超導體會取得更重大的突破。

參考文獻

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[2]Y.Kamihara，T.Watanabe，M.Hirano，and H.Hosono，J.Am.Chem.Soc.130，3296 （2008）.

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[11]Z.C.Wang et al.，Superconductivity in KCa2Fe4As4F with Separate Double Fe2As Layers.Journal of the American Chemical Society 138，7856-7859（2016）.