2008年2月，日本東京工業(yè)大學(xué)Hideo Hosono教授團(tuán)隊(duì)的研究發(fā)現(xiàn)，鐵基氧磷族元素化合物L(fēng)aOFeAs中，將部分氧（O）以摻雜的方式用氟（F）取代，可使其臨界溫度達(dá)到26K，這一突破性進(jìn)展開啟了科學(xué)界新一輪的高溫超導(dǎo)研究熱潮。我國科研人員憑借在該領(lǐng)域的長期積累，開展了一系列卓有成效的研究工作，發(fā)現(xiàn)了眾多新型超導(dǎo)結(jié)構(gòu)類型，創(chuàng)造了56K的最高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的世界紀(jì)錄，并在超導(dǎo)機(jī)理方面取得了一系列的進(jìn)展。目前為止，發(fā)現(xiàn)的鐵基超導(dǎo)材料主要有鐵磷族和鐵硫族化合物。鐵基超導(dǎo)材料大致可以分為以下幾大體系：①“1111”體系，包括LnOFePn（Ln=La、C e、P r、N d、S m、G d、T b、D y、H o、Y；Pn=P、As）以及DvFeAsF（Dv=Ca、Sr）等；②“122”體系，包括AFe2As2（A=Ba、Sr、K、Cs、Ca、Eu）等；③“111”體系，包括AFeAs（A=Li、Na）等；④“11”體系，包括硒化亞鐵（FeSe）、碲化亞鐵（FeTe）等。此外，近年來，陸續(xù)還有一些新的體系出現(xiàn)，如以Sr3Sc2O5Fe2As2為代表的“32522”體系、以Sr4Sc2O6Fe2P2為代表的“42622”體系，以及以La3O4Ni4P2為代表的“3442”體系等[1-3]。

一、鐵基超導(dǎo)材料的研究新進(jìn)展

1.新材料的制備

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實(shí)驗(yàn)室陳仙輝教授團(tuán)隊(duì)通過水熱反應(yīng)方法，制備出一種新的鐵基超導(dǎo)材料鋰鐵氫氧鐵硒化合物：（Li0.8Fe0.2）OHFeSe，其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度達(dá)40K以上，該新材料由鐵硒層和鋰鐵氫氧層交替堆垛而成，兩者之間由極其微弱的氫鍵相連。測量結(jié)果顯示，該材料在約8.5K的低溫存在反鐵磁序，并與超導(dǎo)電性共存[4]。

美國艾姆斯國家實(shí)驗(yàn)室與德國波鴻魯爾大學(xué)合作，制備出一種純單晶鐵基超導(dǎo)材料CaKFe4As4，在沒有少量摻雜劑（如鈷、鎳）存在的情況下，臨界溫度高達(dá)35K。研究人員利用角分辨光電子能譜和密度泛函理論，在動(dòng)量空間區(qū)域測量材料的超導(dǎo)能隙，這對其他材料而言是做不到的。然而，測量結(jié)果與廣被接受的反鐵磁波動(dòng)模型相矛盾[5]。

2.機(jī)理研究

近幾年，國內(nèi)外的研究人員對鐵基超導(dǎo)材料的電磁熱輸運(yùn)特征、內(nèi)部電子結(jié)構(gòu)、超導(dǎo)能隙分布、電荷動(dòng)力學(xué)、磁通渦旋態(tài)、磁結(jié)構(gòu)和自旋動(dòng)力學(xué)等關(guān)鍵物理特性開展了深入研究，取得了一系列重要成果。以下從幾類體系分別做簡要介紹。

（1）11體系

鐵基超導(dǎo)材料體系中，盡管鐵硒（FeSe）的晶體結(jié)構(gòu)最為簡單，卻表現(xiàn)出許多奇特的物理性質(zhì)。中國科學(xué)院物理研究所程金光研究員團(tuán)隊(duì)與日本和美國的學(xué)者合作，利用立方六面砧大腔體高壓低溫物性測量裝置，測量了高壓下FeSe單晶的電阻率和交流磁化率，首次給出了FeSe單晶完整的溫度-壓力相圖。研究人員在高達(dá)約15GPa的高壓下測量FeSe磁控傳輸，揭開了圓頂形狀的磁相而不再是列排序。在超過～6GPa時(shí)出現(xiàn)反常的輸運(yùn)性質(zhì)，表明可能形成了贗能隙，盡管在大于6GPa時(shí)高臨界轉(zhuǎn)變溫度（Tc）相的正常態(tài)中能觀察到隨溫度呈線性關(guān)系的電阻率[6]。

復(fù)旦大學(xué)利用中子散射技術(shù)在FeSe超導(dǎo)材料中首次觀測到新奇的自旋為1的向列性量子無序順磁態(tài)，這一磁基態(tài)的發(fā)現(xiàn)對探究FeSe類高溫超導(dǎo)機(jī)理提供了新的角度[7]。

中國科學(xué)院物理研究所與清華大學(xué)組成的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)，通過角分辨光電子能譜首次發(fā)現(xiàn)，在單層FeSe/鈦酸鍶（SrTiO3）薄膜中，隨著載流子濃度增加而引起的絕緣體-超導(dǎo)體轉(zhuǎn)變。在該單層薄膜中，載流子濃度的不同，存在電子結(jié)構(gòu)迥異的2個(gè)相：N相和S相。該研究深化了對鐵基超導(dǎo)材料中電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)及其作用的理解[8]。

復(fù)旦大學(xué)封東來、張童研究組利用分子束外延生長得到單層FeSe/SrTiO3薄膜，通過掃描隧道顯微鏡對其超導(dǎo)電性及配對對稱性開展了直接觀測。結(jié)果顯示，單層FeSe/SrTiO3具有類似普通超導(dǎo)體的簡單s波對稱，早前的研究則認(rèn)為其是s±波或d波對稱性。這預(yù)示著該單層薄膜界面體系或存在獨(dú)特的配對增強(qiáng)效應(yīng)[9]。

中國科學(xué)院物理所通過角分辨光電子能譜等表征手段，針對FeSe/SrTiO3單層材料以及K原子原位摻雜的樣品，深入研究了電子摻雜FeSe單層材料具有的增強(qiáng)超導(dǎo)性能，發(fā)現(xiàn)伴隨著第二Lifshitz轉(zhuǎn)變，材料的超導(dǎo)臨界溫度會(huì)有一個(gè)大的提高[10]。

（2）122體系

類比于液晶中的向列相，物理學(xué)家提出包括鐵基超導(dǎo)在內(nèi)的關(guān)聯(lián)電子材料中同樣可能存在類似的“電子向列相”。中國科學(xué)院物理研究所李世亮和羅會(huì)仟團(tuán)隊(duì)開展了BaFe2-xNixAs2體系中電子向列相的研究。在向列相的自旋關(guān)聯(lián)研究中，研究人員利用中子散射驗(yàn)證了理論所預(yù)言的自旋關(guān)聯(lián)長度各向異性[11]。在向列相的輸運(yùn)研究中，通過電阻測量，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了不符合簡單伊辛模型描述的向列相臨界漲落，并表明該漲落與電子向列型量子臨界點(diǎn)直接相關(guān)[12]。

美國伯克利勞倫斯國家實(shí)驗(yàn)室、韓國基礎(chǔ)科學(xué)研究院組成的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)利用角分辨光電子能譜表征，揭示了在最優(yōu)摻雜的Ba（Fe1-xCox）2As2中，隨著摻雜水平的變化，臨界轉(zhuǎn)變溫度從24K單調(diào)提高至41.5K。通過垂直向下的帶移，摻雜改變了硫族化合物的整個(gè)費(fèi)米面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[13]。

美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室對鐵基超導(dǎo)材料Sr0.63Na0.37Fe2As2的穆斯堡爾譜研究發(fā)現(xiàn)，2個(gè)電子自旋波可能會(huì)相互抵消，使一些原子無磁性，而只有一般原子表現(xiàn)出鐵磁性。研究人員還通過高分辨X射線衍射及中子衍射，確定了化學(xué)與磁性結(jié)構(gòu)并繪制電子相位圖[14]。

美國斯坦福大學(xué)利用差分彈性電阻測試122型和11型5個(gè)最優(yōu)摻雜的鐵基超導(dǎo)體，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，其向列磁化率在很寬的溫度范圍內(nèi)都遵循簡單的居里-外斯定律。這表明，在最優(yōu)摻雜的區(qū)域，發(fā)散的向列磁化率可能是一個(gè)基本特征，向列波動(dòng)或許是一個(gè)基本的超導(dǎo)配對相互作用[15]。

（3）1111體系

南京大學(xué)聞?；⒔淌谛〗M制備出（Li1-xFex）OHFeSe高溫超導(dǎo)單晶，并利用準(zhǔn)粒子散射相干技術(shù)，深入探究了其掃描隧道譜。研究結(jié)果第1次清楚解釋了在鐵硒基超體材料中，只有電子型費(fèi)米面時(shí)，存在雙能隙的原因[16]。

中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的研究人員采用計(jì)算和理論模型相結(jié)合的方法，探究了插層鐵硒超導(dǎo)材料（Li1-xFex）OHFeSe的磁性。研究發(fā)現(xiàn)這類超導(dǎo)體系具有局域和巡游共存的磁性，提出的一種新機(jī)制認(rèn)為，插層磁性可以作為調(diào)控超導(dǎo)層中與超導(dǎo)配對相關(guān)的自旋漲落[17]。

（4）其他

中美學(xué)者組成的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)研究了反鐵磁性與超導(dǎo)性之間的相互關(guān)系，通過一系列原位高壓測量，觀察到新型鐵基超導(dǎo)體Ca0.73La0.27FeAs2中，壓力誘導(dǎo)的反鐵磁到超導(dǎo)轉(zhuǎn)變的雙重臨界點(diǎn)（2.88GPa，26.02K）。在臨界點(diǎn)處，反鐵磁有序突然消失，同時(shí)出現(xiàn)超導(dǎo)電性。外加磁場會(huì)降低超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度，而對反鐵磁轉(zhuǎn)變溫度無明顯影響[18]。

美國布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室利用質(zhì)子在低能量下轟擊鐵基超導(dǎo)材料，在不損失其超導(dǎo)性能的情況下，首次實(shí)現(xiàn)了載流容量和臨界溫度的同時(shí)提升。據(jù)介紹，通過對缺陷結(jié)構(gòu)和晶格應(yīng)變排列的微調(diào)，可進(jìn)一步提高臨界電流與溫度[19]。

二、鐵基超導(dǎo)材料的應(yīng)用

鐵基超導(dǎo)材料具有金屬性，相比其他超導(dǎo)材料更容易被加工成線材或帶材，可承載的上臨界電場/臨界電流近乎銅基超導(dǎo)材料，有可能甚至更為優(yōu)越。然而，在大多數(shù)情況下，鐵基超導(dǎo)材料的制備需要用到砷化物、堿金屬或堿土金屬，這些往往具有一定的毒性，而且在空氣中存在敏感，從而對制備工藝和安全使用等提出了更高的要求。在弱電應(yīng)用領(lǐng)域，由于鐵基超導(dǎo)材料仍處于剛剛起步階段，與已經(jīng)趨于成熟的統(tǒng)計(jì)超導(dǎo)材料相比，兩者在弱電應(yīng)用方面存在著較大的差距。

中國科學(xué)院電工研究所馬衍偉研究員團(tuán)隊(duì)通過試驗(yàn)優(yōu)化超導(dǎo)長線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工技術(shù)，解決了規(guī)?；苽渲芯鶆蛐?、穩(wěn)定性和重復(fù)性等技術(shù)難點(diǎn)，制備出長度達(dá)115m的（Sr，K） Fe2As2鐵基超導(dǎo)長線。測試結(jié)果顯示，載流性能的均勻性良好，磁場衰減特性較弱，在10T磁場強(qiáng)度下的臨界電流密度高于1.2×104A/cm2。該研究開創(chuàng)了該類材料從實(shí)驗(yàn)室研究走向產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的里程碑[20]。此外，中國學(xué)者借助鐵基超導(dǎo)材料還獲得了較高的臨界電流密度以及高質(zhì)量的超導(dǎo)薄膜等。

從材料的角度而言，超級超導(dǎo)材料更靈活、更多變，這使得高溫超導(dǎo)的研究空間得以大大擴(kuò)展，諸多的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象能夠在各種體系中開展比對研究，繼而得到更為普適的結(jié)論。

三、鐵基超導(dǎo)材料的發(fā)展趨勢

2014年初，空缺了3年的國家自然科學(xué)一等獎(jiǎng)授予了中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)國家實(shí)驗(yàn)室（籌）和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)，表彰其在“40K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(xiàn)。在超導(dǎo)研究的歷史上，已有 10人獲得了5次諾貝爾獎(jiǎng)，其科學(xué)重要性不言而喻。超導(dǎo)機(jī)理以及新超導(dǎo)體的探究是當(dāng)前物理學(xué)界的重要前沿問題之一。

鐵基超導(dǎo)材料作為超導(dǎo)領(lǐng)域的一顆新星，盡管其研究進(jìn)展與銅氧化物超導(dǎo)材料相比還有一定的差距，但考慮到其臨界轉(zhuǎn)變溫度或?qū)⒌玫竭M(jìn)一步的提升、具有上臨界磁場高及各向異性參數(shù)小等優(yōu)勢，更加有利于實(shí)際應(yīng)用，特別是強(qiáng)磁場領(lǐng)域，因而受到國內(nèi)外科研人員的追捧。當(dāng)前，提高鐵基超導(dǎo)帶材臨界電流密度方面已取得突破進(jìn)展，鐵基超導(dǎo)薄膜也被用來制備薄膜器件等。在不久的將來，可以預(yù)見鐵基超導(dǎo)將成為實(shí)用化超導(dǎo)材料的新成員。

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