本刊資料室

在2014年1月10日國家科學(xué)技術(shù)獎勵大會上，多年空缺的國家自然科學(xué)一等獎授予以趙忠賢、陳仙輝、王楠林、聞?；?、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)研究團隊(圖1)，表彰他們在“40 K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”方面的突出貢獻，

圖1 2013年國家自然科學(xué)一等獎鐵基超導(dǎo)材料研究團隊合影

1 超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)及其特性

1911年，Onnes發(fā)現(xiàn)Hg的電阻在4.15 K時突降到當(dāng)時的儀器精度已無法測出的程度，即在一確定的臨界溫度Tc=4.15 K以下將喪失其電阻.隨后，人們在Pb及其他材料中也發(fā)現(xiàn)這種特性,即在滿足臨界條件(臨界溫度Tc，臨界電流Ic，臨界磁場Hc)時物質(zhì)的電阻突然消失，即為超導(dǎo)現(xiàn)象.超導(dǎo)材料的特性有以下幾點.

(1)零電阻性.超導(dǎo)材料處于超導(dǎo)態(tài)時電阻為零，能夠無損耗地傳輸電能.如果用磁場在超導(dǎo)環(huán)中引發(fā)感生電流，這一電流可以毫不衰減地維持下去.這種“持續(xù)電流”已多次在實驗中觀察到.

(2)完全抗磁性.超導(dǎo)材料處于超導(dǎo)態(tài)時，只要外加磁場不超過一定值，磁力線不能透入，超導(dǎo)材料內(nèi)的磁場恒為零.

2 超導(dǎo)材料分類

超導(dǎo)材料按其化學(xué)成分可分為元素材料、合金材料、化合物材料和超導(dǎo)陶瓷.

(1)超導(dǎo)元素.在常壓下有28種元素具有超導(dǎo)電性，其中鈮(Nb)的Tc最高，為9.26 K.電工中實際應(yīng)用的主要是鈮和鉛(Pb，Tc=7.201 K)，已用于制造超導(dǎo)交流電力電纜、高Q值諧振腔等.

(2)合金材料.超導(dǎo)元素加入某些其他元素作合金成分， 可以使超導(dǎo)材料的全部性能提高.如最先應(yīng)用的鈮鋯合金(Nb-75Zr)，其Tc為10.8 K，Hc為8.7 T.

(3)超導(dǎo)化合物.超導(dǎo)元素與其他元素化合常有很好的超導(dǎo)性能.如已大量使用的Nb3Sn，其Tc=18.1 K，Hc=24.5 T.其他重要的超導(dǎo)化合物還有V3Ga，Tc=16.8 K，Hc=24 T；Nb3Al，Tc=18.8 K，Hc=30 T.

(4)超導(dǎo)陶瓷.20世紀80年代初，柏諾茲和繆勒開始注意到某些氧化物陶瓷材料可能有超導(dǎo)電性，他們的小組對一些材料進行了試驗，于1986年在鑭-鋇-銅-氧化物中發(fā)現(xiàn)了Tc=35 K的超導(dǎo)電性.柏諾茲和繆勒也因為他們的開創(chuàng)性工作而榮獲了1987年度諾貝爾物理學(xué)獎.

1987年，中國、美國、日本等國科學(xué)家在鋇-釔-銅氧化物中發(fā)現(xiàn)Tc處于液氮溫區(qū)有超導(dǎo)電性，使超導(dǎo)陶瓷成為極有發(fā)展前景的超導(dǎo)材料.

3 銅基超導(dǎo)材料

原來的(鐵基超導(dǎo)材料出現(xiàn)以前)高溫超導(dǎo)體包括四大類：90 K的稀土系，110 K的鉍系，125 K的鉈系和135 K的汞系.它們都含有銅和氧，因此也總稱為銅氧基超導(dǎo)體或銅基超導(dǎo)材料.它們具有類似的層狀結(jié)晶結(jié)構(gòu).正當(dāng)(約1993年)人們試圖在液氮溫區(qū)大規(guī)模推廣高溫超導(dǎo)強電應(yīng)用技術(shù)時，發(fā)現(xiàn)難以克服的技術(shù)困難,即本質(zhì)為陶瓷材料的銅氧化物在力學(xué)性能上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，但絕大部分超導(dǎo)強電應(yīng)用還停留在常規(guī)金屬合金超導(dǎo)體上.好在銅基超導(dǎo)的弱電應(yīng)用目前發(fā)展迅速，利用其制備成的超導(dǎo)量子干涉儀已成為目前世界上最靈敏的磁探測技術(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)化和市場化，未來世界還可能出現(xiàn)以超導(dǎo)比特為單元的量子計算機——一種基于量子力學(xué)原理的高速計算機.

4 鐵基高溫超導(dǎo)材料誕生

2008年2月23日，日本西野秀雄研究小組報道了在氟摻雜的鑭-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間里合成了該類材料并開展了物性研究，其中中國科學(xué)院物理所和中國科技大學(xué)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.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)(圖2)，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)目粗略估計有3 000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.正是由于中國科學(xué)家的努力推動，鐵基超導(dǎo)步入高溫超導(dǎo)新家族，極大地吸引了全世界研究者的目光.在已發(fā)現(xiàn)的10種左右鐵基超導(dǎo)體系中，中國科學(xué)家獨立發(fā)現(xiàn)了其中4種.

圖2 鐵基超導(dǎo)體發(fā)現(xiàn)時間及其超導(dǎo)臨界溫度

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)用價值.鐵基超導(dǎo)的研究加速了高溫超導(dǎo)機理的解決進程，使得人們完全有理由相信在不久的將來，室溫超導(dǎo)可以被實現(xiàn)并被廣泛應(yīng)用.