鐵基超導(dǎo)：物理學(xué)中的“超新星”

羅會(huì)仟

在今年年初召開的國(guó)家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)上，空缺多年的國(guó)家自然科學(xué)一等獎(jiǎng)被鐵基超導(dǎo)研究團(tuán)隊(duì)獲得。鐵基高溫超導(dǎo)研究的熱潮自2008年興起，至今仍然是凝聚態(tài)物理基礎(chǔ)研究的前沿科學(xué)之一，吸引了世界上諸多優(yōu)秀科學(xué)家的目光。為什么鐵基超導(dǎo)如此特別？它的發(fā)現(xiàn)對(duì)基礎(chǔ)物理研究有什么重要影響？中國(guó)人在鐵基超導(dǎo)研究中又扮演了什么樣的角色？

奇特的超導(dǎo)體

1911年4月8日，當(dāng)荷蘭科學(xué)家昂尼斯利用液氦研究金屬在低溫下的電阻狀況時(shí)，他驚奇地發(fā)現(xiàn)，金屬汞降溫到4.2 K（熱力學(xué)溫標(biāo)中0 K對(duì)應(yīng)著零下273.2℃，4.2 K即相當(dāng)于零下269℃）其電阻值突然降到儀器測(cè)量范圍的最小值之外，即可認(rèn)為電阻降為零。昂尼斯把這種物理現(xiàn)象稱為超導(dǎo)，意為超級(jí)導(dǎo)電，他本人因此獲得了1913年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

繼第一個(gè)超導(dǎo)體金屬汞被發(fā)現(xiàn)之后，人們又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)許多單質(zhì)金屬及其合金在低溫下都是超導(dǎo)體。1933年，德國(guó)物理學(xué)家邁斯納指出，超導(dǎo)體區(qū)別于理想金屬導(dǎo)體，除了零電阻外，它還具有另一種特性，即完全抗磁性。超導(dǎo)體一旦進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)，就如同練就了“金鐘罩、鐵布衫”一樣，外界磁場(chǎng)根本進(jìn)不去，材料內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度為零。

同時(shí)具有零電阻和抗磁性是判斷超導(dǎo)體的雙重標(biāo)準(zhǔn)，單憑這兩大高超本領(lǐng)，超導(dǎo)就具有一系列應(yīng)用前景。利用零電阻的超導(dǎo)材料替代有電阻的常規(guī)金屬材料，可以節(jié)約輸電過程中造成的大量熱損耗；可以組建超導(dǎo)發(fā)電機(jī)、變壓器、儲(chǔ)能環(huán)；可以在較小空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)磁場(chǎng)，從而獲得高分辨的核磁共振成像、進(jìn)行極端條件下的物性研究、發(fā)展安全高速的磁懸浮列車等等。

可是，如此神通廣大的超導(dǎo)體，在日常應(yīng)用中為什么遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如半導(dǎo)體那么聲名遠(yuǎn)揚(yáng)呢？這是因?yàn)榘雽?dǎo)體在室溫下就能用，但超導(dǎo)體往往需要非常低的溫度環(huán)境（低于其超導(dǎo)臨界溫度），這種低溫環(huán)境一般依賴于昂貴的液氦來維持，這極大地增加了超導(dǎo)應(yīng)用的成本。解決這一問題關(guān)鍵在于尋找更高臨界溫度的超導(dǎo)體，特別是室溫超導(dǎo)體——這是所有超導(dǎo)研究人員的終極夢(mèng)想。

“電子配對(duì)、干活不累”

除了不斷發(fā)現(xiàn)新的超導(dǎo)體，物理學(xué)家還面臨著另一項(xiàng)重要科學(xué)任務(wù)——從微觀層面解釋為什么電子能夠在固體材料中“暢行無阻”。包括愛因斯坦、玻爾和費(fèi)曼等在內(nèi)的世界上許多絕頂聰明的物理學(xué)家都曾試圖完成這個(gè)任務(wù)，但大多以失敗告終。直到1957年，常規(guī)金屬超導(dǎo)微觀理論才被美國(guó)3名物理學(xué)家成功建立起來，這個(gè)理論便根據(jù)他們的姓氏巴丁、庫(kù)伯、施里弗命名為BCS理論。

BCS理論認(rèn)為，常規(guī)金屬合金中的自由電子除了人們熟知的庫(kù)侖排斥作用外，還存在一種較弱的吸引相互作用。原子中，原子核及除價(jià)電子以外的內(nèi)層電子組成原子實(shí)，由于它是帶正電的，會(huì)對(duì)“路過”的帶負(fù)電的電子存在吸引相互作用。如果兩個(gè)電子運(yùn)動(dòng)方向相反（動(dòng)量相反），那么它們各自與周圍原子實(shí)的相互作用就可以等效為它們之間存在一種弱的吸引相互作用，就像冰面上兩個(gè)舞者互相拋接球一樣，這種作用力導(dǎo)致材料中電子兩兩配對(duì)。配對(duì)后的電子對(duì)又叫庫(kù)伯對(duì)，如果所有庫(kù)伯對(duì)在運(yùn)動(dòng)過程中保持步調(diào)一致，那么配對(duì)電子即便受到運(yùn)動(dòng)阻礙也會(huì)兩兩相消，從而實(shí)現(xiàn)零電阻狀態(tài)。

盡管BCS理論如此美妙地用“電子配對(duì)、干活不累”的創(chuàng)意解決了常規(guī)金屬合金超導(dǎo)機(jī)理問題，但其大膽的思想?yún)s遲遲未被接受，直到該理論最終被實(shí)驗(yàn)所證實(shí)，3位科學(xué)家才于1972年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

突破“麥克米蘭極限”

有了理論指引，更高臨界溫度的超導(dǎo)體似乎可以“按圖索驥”，但實(shí)際遠(yuǎn)未如此。因?yàn)樵贐CS理論框架下，所有的超導(dǎo)體臨界溫度存在一個(gè)40 K（約為零下233℃）的理論上限，被稱為“麥克米蘭極限”。它會(huì)是一個(gè)無法逾越的障礙嗎？

研究表明，元素周期表中許多金屬單質(zhì)在低溫下都是超導(dǎo)體，還有的在高壓下也能實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)，這些單質(zhì)煉成合金，臨界溫度將更高，它們統(tǒng)稱為“金屬合金超導(dǎo)體”；一些金屬化合物中電子盡管顯得“很笨重”，但也能實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)，被歸為“重費(fèi)米子超導(dǎo)體”；碳60和堿金屬的化合物甚至一些有機(jī)材料也是超導(dǎo)體，被劃為“有機(jī)超導(dǎo)體”；更令人欣喜的是，許多往往被認(rèn)為導(dǎo)電性能很差的金屬氧化物如鈦氧化物、鈮氧化物、鉍氧化物、釕氧化物、鈷氧化物等也是超導(dǎo)體。超導(dǎo)，幾乎無處不在！

既然“條條大路通超導(dǎo)”，物理學(xué)家開始了更大膽的探索，他們?cè)谕ǔＵJ(rèn)為是絕緣體的銅氧化物陶瓷材料中尋找可能的超導(dǎo)電性。德國(guó)人柏諾茲和瑞士人繆勒在鑭-鋇-銅-氧體系發(fā)現(xiàn)可能存在35 K的超導(dǎo)電性。盡管臨界溫度尚未突破40 K，但是35 K已經(jīng)是當(dāng)時(shí)所有超導(dǎo)體臨界溫度的新紀(jì)錄，為此二人獲得了1987年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

一場(chǎng)攀登超導(dǎo)巔峰之戰(zhàn)由此拉開帷幕，其中不乏中國(guó)人和華人科學(xué)家的身影。1987年2月，美國(guó)的朱經(jīng)武、吳茂昆研究組和中科院物理所的趙忠賢研究團(tuán)隊(duì)分別獨(dú)立發(fā)現(xiàn)在釔-鋇-銅-氧體系存在90 K 以上的臨界溫度，超導(dǎo)研究首次成功突破了液氮溫區(qū)（液氮的沸點(diǎn)為77 K）。采用較為廉價(jià)的液氮將極大地降低超導(dǎo)的應(yīng)用成本，使得超導(dǎo)大規(guī)模應(yīng)用和深入科學(xué)研究成為可能，趙忠賢研究團(tuán)隊(duì)也因此獲得1989年國(guó)家自然科學(xué)一等獎(jiǎng)。

此后，超導(dǎo)臨界溫度紀(jì)錄以火箭般速度往上竄，目前世界上最高臨界溫度的超導(dǎo)體是汞-鋇-鈣-銅-氧體系（常壓下135 K，高壓下164 K），由朱經(jīng)武研究小組于1994年創(chuàng)下。由于銅氧化物超導(dǎo)體臨界溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)突破了40 K的“麥克米蘭極限”，被人們統(tǒng)稱為“高溫超導(dǎo)體”（這里的高溫，實(shí)際上只是相對(duì)金屬合金超導(dǎo)體較低的臨界溫度而言）。

鐵基超導(dǎo)橫空出世

然而，當(dāng)人們?cè)噲D在液氮溫區(qū)大規(guī)模推廣高溫超導(dǎo)強(qiáng)電應(yīng)用技術(shù)時(shí)，發(fā)現(xiàn)它實(shí)際上“中看不中用”。本質(zhì)為陶瓷材料的銅氧化物在力學(xué)性能上顯得脆弱不堪，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(shí)失去超導(dǎo)電性而迅速發(fā)熱。而銅基超導(dǎo)的弱電應(yīng)用則得到很大發(fā)展，利用其制備成的超導(dǎo)量子干涉儀是目前世界上最靈敏的磁探測(cè)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(chǎng)化，未來世界還可能出現(xiàn)以超導(dǎo)比特為單元的量子計(jì)算機(jī)——一種基于量子力學(xué)原理的高速計(jì)算機(jī)。endprint

2008年2月23日，日本西野秀雄研究小組報(bào)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(guó)科學(xué)家得知消息后在第一時(shí)間里合成了該類材料并開展了物性研究，其中中科院物理所和中國(guó)科大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。新一代高溫超導(dǎo)家族——鐵基高溫超導(dǎo)體就此誕生。

在隨后幾年里，新的鐵基超導(dǎo)體系不斷被發(fā)現(xiàn)，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(jìn)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(jì)有3000多種（許多還尚待發(fā)現(xiàn)），可謂是目前發(fā)現(xiàn)的最龐大的超導(dǎo)家族。

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(jià)值。它和銅基超導(dǎo)體存在“形似而神不似”的關(guān)系，總體來說，鐵基超導(dǎo)體更像是介于銅基超導(dǎo)體和傳統(tǒng)金屬超導(dǎo)體之間的一個(gè)橋梁。有了這道橋梁，高溫超導(dǎo)研究之路已經(jīng)不再是空中樓閣，而是有徑可循了，高溫超導(dǎo)的微觀機(jī)理的神秘面紗正在緩緩揭開。

在應(yīng)用方面，鐵基超導(dǎo)體更加容易被加工成線材和帶材，而其可承載的臨界磁場(chǎng)/臨界電流和銅基超導(dǎo)體相當(dāng)，甚至有可能更優(yōu)越。當(dāng)然，制備鐵基超導(dǎo)材料對(duì)制備工藝和使用安全方面提出了更高的要求。在超導(dǎo)的弱電應(yīng)用方面，鐵基超導(dǎo)還處在剛剛起步階段，相對(duì)已經(jīng)趨于成熟的銅基超導(dǎo)弱電應(yīng)用還有很大差距。

突破常規(guī)的發(fā)現(xiàn)

在含鐵的化合物中尋找到高溫超導(dǎo)電性是一件突破常規(guī)的事情，因?yàn)橥ǔＵJ(rèn)為鐵的磁性會(huì)極大地破壞超導(dǎo)。然而出乎人們意料的是，鐵砷化物母體中摻雜磁性離子如鈷和鎳反而會(huì)誘發(fā)超導(dǎo)電性，鐵基超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)證明磁性和超導(dǎo)其實(shí)完全可以“和平共處”，新超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)往往就在打破常規(guī)之處。

實(shí)際上，早在1990年，鑭-鐵-磷-氧材料就已經(jīng)被德國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，到了2000年，具有同樣晶體結(jié)構(gòu)的稀土-鐵砷化物也被成功制備。遺憾的是，他們沒有進(jìn)一步用氟替代摻雜，與新超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)只能擦肩而過，而西野秀雄等人準(zhǔn)確地把握住了這個(gè)機(jī)會(huì)。類似地，中國(guó)科學(xué)家利用稀土替代效應(yīng)而成功突破“麥克米蘭極限”，也是憑借常年研究超導(dǎo)養(yǎng)成的敏銳洞察力，從而在第一時(shí)間把握重要機(jī)遇。

正是由于中國(guó)科學(xué)家的努力推動(dòng)，鐵基超導(dǎo)步入高溫超導(dǎo)大家族，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(guó)科學(xué)家獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了其中4種。在近兩年，中國(guó)科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)高溫超導(dǎo)其實(shí)并不需要太復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，只需在特殊基片上生長(zhǎng)薄薄一層鐵-硒原子層就可以實(shí)現(xiàn)60 K以上的高溫超導(dǎo)?？梢哉f，鐵基超導(dǎo)的研究加速了高溫超導(dǎo)機(jī)理的解決進(jìn)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(shí)現(xiàn)并被廣泛應(yīng)用。到那時(shí)，我們生活的世界將出現(xiàn)翻天覆地的變化。

【責(zé)任編輯】龐 云endprint