高　繹

(南京師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇　南京　210023)

?

·名師論壇·

鐵基高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)及近期研究進(jìn)展

高繹

(南京師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇南京210023)

本文介紹了傳統(tǒng)超導(dǎo)材料及高溫超導(dǎo)材料，特別是鐵基高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)及近期的研究進(jìn)展，以普及超導(dǎo)知識(shí)，為廣大教育工作者提供一個(gè)與科研最前沿接觸的機(jī)會(huì).

鐵基高溫超導(dǎo)體；超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度；超導(dǎo)機(jī)理

1　引言

1911年荷蘭科學(xué)家昂納斯發(fā)現(xiàn)：當(dāng)溫度降至4.2K以下時(shí)，汞的電阻消失了，這種電阻為零的現(xiàn)象被稱(chēng)為超導(dǎo).迄今為止，發(fā)現(xiàn)大部分的金屬以及一些合金材料在低溫下都具有超導(dǎo)現(xiàn)象.美國(guó)科學(xué)家巴丁、庫(kù)珀和施瑞佛在1957年對(duì)材料的超導(dǎo)電性做出了理論解釋?zhuān)麄冎赋觯撼瑢?dǎo)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(dòng)的相互作用所造成的[1].他們的理論被稱(chēng)為BCS理論，這種由電-聲子相互作用導(dǎo)致超導(dǎo)的超導(dǎo)體被稱(chēng)為常規(guī)超導(dǎo)體，或傳統(tǒng)超導(dǎo)體，受制于麥克米蘭極限，這類(lèi)超導(dǎo)體的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度不可能超過(guò)39K.1986年，德國(guó)和瑞士的科學(xué)家伯諾茲和繆勒首次發(fā)現(xiàn)了一類(lèi)基于銅元素的超導(dǎo)體[2]，這類(lèi)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(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度大大超過(guò)了麥克米蘭極限的39K，最高可達(dá)150K左右，這類(lèi)材料又被稱(chēng)為高溫超導(dǎo)體.它們的超導(dǎo)機(jī)制不能用BCS理論解釋?zhuān)@說(shuō)明其機(jī)理很有可能不是電-聲子作用.高溫超導(dǎo)材料及其應(yīng)用是全球競(jìng)爭(zhēng)的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，與傳統(tǒng)超導(dǎo)材料相比，這種新材料能在較高溫度下達(dá)到零電阻，在電力能源、高端醫(yī)療設(shè)備、軌道交通、大科學(xué)工程、軍工等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，30年來(lái)新型高溫超導(dǎo)材料的探索和超導(dǎo)機(jī)理的研究一直是凝聚態(tài)物理的一個(gè)重要研究方向.

2　鐵基超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)

2008年日本科學(xué)家Kamihara等人發(fā)現(xiàn)在LaFeAsO1-xFx中，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度Tc達(dá)到26K[3].這一發(fā)現(xiàn)具有里程碑性的意義，立刻引起了超導(dǎo)界的廣泛關(guān)注，原因如下：第一，該發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致了一系列具有更高Tc的材料的產(chǎn)生.在LaFeAsO1-xFx中，Takahashi等人發(fā)現(xiàn)4GPa的壓強(qiáng)可使超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度從26K提高到43K[4].受其啟發(fā)，研究人員利用化學(xué)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(cè)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(cè)到[7]，這種提高轉(zhuǎn)變溫度的方法(壓力以及化學(xué)壓力)與銅氧化物高溫超導(dǎo)體具有類(lèi)似性.第二，Kamihara等人的發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致了一類(lèi)新的高溫超導(dǎo)體的產(chǎn)生，即鐵基超導(dǎo)體(“FePn”，Pn=As或P以及“FeCh”，Ch=S、Se或Te)，其種類(lèi)多種多樣并且還在快速增加.目前鐵基超導(dǎo)體主要具有這樣幾種結(jié)構(gòu)：(1) “1111”結(jié)構(gòu)(稀土元素/鐵/磷族元素/氧，例如LaFeAsO)；(2) “122”結(jié)構(gòu)(MFe2As2)，其中在K摻雜的BaFe2As2(Ba0.6K0.4Fe2As2)中，Tc可達(dá)38K；(3) “111”結(jié)構(gòu)(MFeAs)；(4) “11”結(jié)構(gòu)(FeSe)；(5) “21311”結(jié)構(gòu)(Sr2MO3FePn，M=Sc，V或Cr)；(6) 新型“122”結(jié)構(gòu)(AxFe2-ySe2).這些體系的許多物理性質(zhì)既相互關(guān)聯(lián)，又有所不同，如何統(tǒng)一理解它們的超導(dǎo)機(jī)理是當(dāng)前鐵基超導(dǎo)體研究中的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題.第三，鐵基超導(dǎo)體的超導(dǎo)機(jī)制可能與磁性緊密關(guān)聯(lián)，這也是一個(gè)非常有趣的問(wèn)題.目前主要認(rèn)為鐵基超導(dǎo)體中的超導(dǎo)機(jī)制不是以聲子為媒介的.理論上可能的超導(dǎo)機(jī)制包括自旋漲落或軌道間電子對(duì)躍遷，如果確實(shí)如此，那么由于在這樣的機(jī)制中特征能量的尺度遠(yuǎn)大于BCS理論中平均聲子能量尺度，因此有可能會(huì)導(dǎo)致更高的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度.第四，鐵基超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)結(jié)束了銅氧化物在高溫超導(dǎo)領(lǐng)域一統(tǒng)天下的局面，為高溫超導(dǎo)探索研究注入了新的活力，目前在單層FeSe中，轉(zhuǎn)變溫度也可達(dá)100K左右.

3　鐵基超導(dǎo)體的近期研究進(jìn)展

盡管鐵基超導(dǎo)體的種類(lèi)多種多樣，但彼此之間仍有一些相似的性質(zhì)，對(duì)于理解高溫超導(dǎo)體的超導(dǎo)機(jī)理起著至關(guān)重要的作用.這些相似性主要體現(xiàn)在這樣幾個(gè)方面：第一，與銅氧化物高溫超導(dǎo)材料的結(jié)構(gòu)相似，鐵基超導(dǎo)材料也具有準(zhǔn)二維的層狀結(jié)構(gòu).Fe原子組成平面四方網(wǎng)格，是產(chǎn)生超導(dǎo)電性的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)單元，電子的輸運(yùn)和超導(dǎo)就發(fā)生在這些層中.第二，在大部分鐵基超導(dǎo)體中，磁性與超導(dǎo)相或是彼此相鄰、或是相互共存，表現(xiàn)出磁性與超導(dǎo)間的緊密關(guān)聯(lián).并且與銅氧化物超導(dǎo)體類(lèi)似，在鐵基超導(dǎo)體中，隨著摻雜量的增加，磁性逐漸消失，而超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度隨摻雜量的變化關(guān)系呈現(xiàn)圓頂狀曲線.第三，角分辨光電子譜實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：鐵基超導(dǎo)體中存在不連續(xù)的費(fèi)米面以及費(fèi)米面間的準(zhǔn)嵌套[8].在布里淵區(qū)中心Γ點(diǎn)處有一些空穴型的費(fèi)米面，而在布里淵區(qū)邊緣M點(diǎn)處則有一些電子型的費(fèi)米面，并且有些費(fèi)米面的大小、形狀相近，形成費(fèi)米面準(zhǔn)嵌套.在大小相近的費(fèi)米面上超導(dǎo)能隙相對(duì)較大，隨著摻雜的進(jìn)行，當(dāng)費(fèi)米面間的準(zhǔn)嵌套被破壞時(shí)，超導(dǎo)電性也強(qiáng)烈地被抑制甚至消失.最后，與銅氧化物高溫超導(dǎo)體類(lèi)似，中子散射實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在鐵基超導(dǎo)體中，在Tc以下存在自旋波共振峰，其波矢恰好連接準(zhǔn)嵌套的費(fèi)米面.這些實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明鐵基材料超導(dǎo)電性很可能與自旋漲落誘導(dǎo)的準(zhǔn)嵌套費(fèi)米面間的電子散射相關(guān).

4　我國(guó)科學(xué)家的研究

對(duì)于鐵基超導(dǎo)體的研究，我國(guó)科學(xué)家做出了杰出的貢獻(xiàn).比如，在超導(dǎo)材料的制備方面，中國(guó)科學(xué)院趙忠賢院士、王楠林研究員，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)陳仙輝院士，浙江大學(xué)方明虎教授、袁輝球教授、許祝安教授及中國(guó)人民大學(xué)陳根富教授等處于世界領(lǐng)先地位.中國(guó)科學(xué)院戴鵬程研究員及中國(guó)人民大學(xué)鮑威教授帶領(lǐng)各自的研究小組利用中子散射對(duì)鐵基超導(dǎo)體的磁結(jié)構(gòu)及自旋動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了詳盡的研究.中國(guó)科學(xué)院丁洪研究員、周興江研究員和復(fù)旦大學(xué)封東來(lái)教授的課題組利用角分辨光電子譜對(duì)鐵基超導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)、費(fèi)米面與超導(dǎo)能隙的大小等方面做了詳細(xì)考察.另外，南京大學(xué)聞?；⒔淌凇⑶迦A大學(xué)薛其坤教授及中國(guó)科學(xué)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(dǎo)體的態(tài)密度及磁通渦旋態(tài)，中國(guó)人民大學(xué)于偉強(qiáng)教授利用核磁共振對(duì)超導(dǎo)體中的自旋漲落進(jìn)行了研究.在理論方面，中國(guó)科學(xué)院向濤研究員及中國(guó)人民大學(xué)盧仲毅教授利用第一性原理預(yù)言了鐵基超導(dǎo)體的能帶和可能的磁結(jié)構(gòu)，并得到了實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證.南京大學(xué)李建新教授、王強(qiáng)華教授及中國(guó)科學(xué)院胡江平研究員對(duì)超導(dǎo)機(jī)制也做了大量的研究.

5　小結(jié)

目前世界上對(duì)鐵基超導(dǎo)材料的研究還在如火如荼地進(jìn)行中，鐵基高溫超導(dǎo)材料的研究也于2014年獲得了國(guó)家自然科學(xué)一等獎(jiǎng).有關(guān)鐵基高溫超導(dǎo)體的研究，對(duì)整個(gè)高溫超導(dǎo)現(xiàn)象物理起源的理解有極大的啟發(fā)意義，有助于進(jìn)一步加深對(duì)高溫超導(dǎo)機(jī)理的認(rèn)識(shí)，也為發(fā)現(xiàn)新的高溫超導(dǎo)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(jiǎn)介：高繹(1981—)，男，江蘇南京人，南京大學(xué)博士，美國(guó)休斯頓大學(xué)德州超導(dǎo)中心博士后，南京師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院副教授、碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)槟蹜B(tài)物理.