一類新的高溫超導材料
——鐵基超導材料——2013年國家自然科學一等獎簡介

本刊資料室

在2014年1月10日國家科學技術獎勵大會上，多年空缺的國家自然科學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院物理研究所和中國科學技術大學研究團隊(圖1)，表彰他們在“40 K以上鐵基高溫超導體的發(fā)現(xiàn)及若干基本物理性質研究”方面的突出貢獻，

圖1 2013年國家自然科學一等獎鐵基超導材料研究團隊合影

1 超導的發(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)時物質的電阻突然消失，即為超導現(xiàn)象.超導材料的特性有以下幾點.

(1)零電阻性.超導材料處于超導態(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.超導材料處于超導態(tài)時，只要外加磁場不超過一定值，磁力線不能透入，超導材料內的磁場恒為零.

2 超導材料分類

超導材料按其化學成分可分為元素材料、合金材料、化合物材料和超導陶瓷.

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

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

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

(4)超導陶瓷.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年度諾貝爾物理學獎.

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

3 銅基超導材料

原來的(鐵基超導材料出現(xiàn)以前)高溫超導體包括四大類：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體或銅基超導材料.它們具有類似的層狀結晶結構.正當(約1993年)人們試圖在液氮溫區(qū)大規(guī)模推廣高溫超導強電應用技術時，發(fā)現(xiàn)難以克服的技術困難,即本質為陶瓷材料的銅氧化物在力學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電性而迅速發(fā)熱.科學家們經(jīng)過20余年的工藝努力，銅氧化物超導線圈雖然已開始步入市場，但絕大部分超導強電應用還停留在常規(guī)金屬合金超導體上.好在銅基超導的弱電應用目前發(fā)展迅速，利用其制備成的超導量子干涉儀已成為目前世界上最靈敏的磁探測技術，而用銅氧化物超導薄膜制備的超導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)以超導比特為單元的量子計算機——一種基于量子力學原理的高速計算機.

4 鐵基高溫超導材料誕生

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的超導電性.中國科學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，其中中國科學院物理所和中國科技大學的研究人員采用稀土替代方法獲得了一系列高質量的樣品，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電性.鐵基超導家族成員數(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)的最龐大超導家族.正是由于中國科學家的努力推動，鐵基超導步入高溫超導新家族，極大地吸引了全世界研究者的目光.在已發(fā)現(xiàn)的10種左右鐵基超導體系中，中國科學家獨立發(fā)現(xiàn)了其中4種.

圖2 鐵基超導體發(fā)現(xiàn)時間及其超導臨界溫度

作為繼銅基超導體之后的第二大高溫超導家族，鐵基超導體具有更加豐富的物理性質和更有潛力的應用價值.鐵基超導的研究加速了高溫超導機理的解決進程，使得人們完全有理由相信在不久的將來，室溫超導可以被實現(xiàn)并被廣泛應用.