鐵基超導(dǎo)體及其發(fā)展趨勢概述

劉明坤 王紅宇 王浩 王天倚 何亮

摘要：鐵基超導(dǎo)體自2008年發(fā)現(xiàn)以來就受到人們的廣泛關(guān)注，對于鐵基超導(dǎo)體的研究主要包括探究更高的轉(zhuǎn)變溫度，鐵基超導(dǎo)體的應(yīng)用以及鐵基超導(dǎo)體的制備方法等等。本文對鐵基超導(dǎo)體的發(fā)展及其特點(diǎn)進(jìn)行了概述。

關(guān)鍵詞：鐵基超導(dǎo)體;超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度;零電阻

一、超導(dǎo)現(xiàn)象和超導(dǎo)體

1911年，荷蘭科學(xué)家昂尼斯（Kamerlingh Onnes）將汞單質(zhì)溫度降低到4.2 K時(shí)發(fā)現(xiàn)其電阻降為零，這是人類歷史上首次發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)現(xiàn)象[1]。所謂超導(dǎo)現(xiàn)象指的是當(dāng)溫度降低到某一臨界溫度時(shí)，某些材料的電阻突然消失，同時(shí)內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度也變?yōu)榱愕默F(xiàn)象。自超導(dǎo)現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)以后，科學(xué)家們一直致力于對超導(dǎo)體的探索發(fā)現(xiàn)以及對超導(dǎo)現(xiàn)象微觀機(jī)理的研究。

超導(dǎo)體的基本參數(shù)主要有臨界溫度，臨界磁場以及臨界電流。其中臨界溫度Tc是限制超導(dǎo)體應(yīng)用的最重要參數(shù)。除了具有零電阻現(xiàn)象之外，超導(dǎo)體還具有邁斯納效應(yīng)、磁通量子效應(yīng)、約瑟夫森效應(yīng)等特殊的物理性質(zhì)。超導(dǎo)體的這些特性決定著超導(dǎo)材料具有廣闊的應(yīng)用前景：零電阻特性可以用于電流的無損傳輸，獲得普通的有阻導(dǎo)體所無法獲得的永久電流、產(chǎn)生強(qiáng)磁場等;邁斯納效應(yīng)可以用于磁屏蔽;約瑟夫森效應(yīng)可以用于微弱電磁測量等。這些應(yīng)用領(lǐng)域包含了電工電力、交通、軍事、醫(yī)療衛(wèi)生等與人們息息相關(guān)的領(lǐng)域。

二、鐵基超導(dǎo)體

鐵基超導(dǎo)體是2008年由日本的H.Hosono研究團(tuán)隊(duì)首先發(fā)現(xiàn)的[2]，其研究成果表明LaFeAsO1-xFx具有26K的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度。這一發(fā)現(xiàn)打破了人們對于鐵元素不利于超導(dǎo)的固有認(rèn)識(shí)，使得鐵基超導(dǎo)體正式的進(jìn)入人們的視野。

鐵基超導(dǎo)體與同為高溫超導(dǎo)體的銅基超導(dǎo)體類似，是鐵元素與其他元素結(jié)合形成的超導(dǎo)體，且鐵元素是組成超導(dǎo)體的主要材料。鐵基超導(dǎo)體是通過摻雜引入空穴、電子或化學(xué)壓力壓制反鐵磁序誘導(dǎo)出超導(dǎo)電性。在鐵基超導(dǎo)體沒有出現(xiàn)以前，根據(jù)BCS理論提出的電子配對原則，普遍認(rèn)為鐵這種具有鐵磁性的元素是不能成為超導(dǎo)體的，甚至在超導(dǎo)體中加入磁性元素都會(huì)大大降低超導(dǎo)性，但后來發(fā)現(xiàn)由于鐵元素成面后其鐵磁性會(huì)消失，所以在鐵基超導(dǎo)體材料中磁性和超導(dǎo)可以微觀存在，因此BCS理論并不能完全解釋鐵基超導(dǎo)體的超導(dǎo)機(jī)制。

鐵基超導(dǎo)體材料作為高溫超導(dǎo)體材料，比低溫超導(dǎo)材料具有更高的臨界轉(zhuǎn)變溫度和上臨界磁場。在臨界轉(zhuǎn)變溫度方面，鐵基超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變溫度要比銅基超導(dǎo)體的臨界轉(zhuǎn)變溫度低，但鐵基超導(dǎo)體同時(shí)具有各向異性較小等特點(diǎn)，且在外界有強(qiáng)磁場干擾的情況下仍然具有很強(qiáng)的載流能力。到目前為止，鐵基超導(dǎo)體的臨界電流密度可以高達(dá)105 A/cm2以上，可用于強(qiáng)磁場環(huán)境中?，F(xiàn)有的鐵基超導(dǎo)材料種類繁多，按其成分和晶體結(jié)構(gòu)，主要分為4大體系：“1111”體系、“122”體系、“111”體系和“11”體系[3]。

“1111”體系是最早發(fā)現(xiàn)的鐵基超導(dǎo)體的一族體系，也是目前研究最為深入的體系，該體系為ZrCuSiAs型四方晶體結(jié)構(gòu)，空間群為P4/nmm，通常是F元素在O位置摻雜而成，目前轉(zhuǎn)變溫度最高的就是以SmFeAsO1-xFx為代表的“1111”體系的鐵基超導(dǎo)體?！?111”體系的鐵基超導(dǎo)體的臨界電流密度較高，上臨界場也比較高。

“122”體系是具有ThCr2Hr2層狀結(jié)構(gòu)的鐵基超導(dǎo)體，是目前研究最為廣泛的一類體系。有很多化合物都具有ThCr2Hr2層狀結(jié)構(gòu)，但是超導(dǎo)臨界溫度多數(shù)都小于5K。 “122”體系鐵基超導(dǎo)體的空間群為I4/mmm，且為體心四方點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，在這類超導(dǎo)體中，“122”體系的鐵基超導(dǎo)體會(huì)在高溫下發(fā)生鐵空位的結(jié)構(gòu)相變。

“111”體系的鐵基超導(dǎo)體具有四方的PbFCl晶體結(jié)構(gòu)，是繼“1111”體系和“122”體系后第三個(gè)發(fā)現(xiàn)的體系，“111”體系的鐵基超導(dǎo)體較其他的鐵基超導(dǎo)體來說其電子的關(guān)聯(lián)性較弱，轉(zhuǎn)變溫度較低，但由于無需特殊的摻雜就能表現(xiàn)出超導(dǎo)性質(zhì)，所以非常適用于基于表面實(shí)驗(yàn)技術(shù)的研究。

“11”體系的鐵基超導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)簡單，對于制備有很大的便捷性，在應(yīng)用時(shí)對于外包材料的要求比較少，同時(shí)“11”體系的鐵基超導(dǎo)體對摻雜敏感性高，雖然其轉(zhuǎn)變溫度低，但在應(yīng)用上仍然具有重大的意義。

下面對四大體系以表格的形式對相關(guān)的特點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)。

三、鐵基超導(dǎo)體的發(fā)展歷程

繼日本的H.Hosono研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)鐵基超導(dǎo)體后，中國科學(xué)院物理研究所陳根富、王楠林團(tuán)隊(duì)于2008年3月采用傳統(tǒng)的固相反應(yīng)方法，先后成功制備了超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度為40 K以上的Sm[O1-xFx]FeAs超導(dǎo)體[4]。幾乎同時(shí)，趙忠賢團(tuán)隊(duì)通過高溫高壓合成結(jié)合輕稀土元素替代的方案，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)首次將鐵基超導(dǎo)體的臨界溫度從26K提高到52K[5]，顯著超過了40K的麥克米蘭極限。不久之后，在50K以上的鐵基系列超導(dǎo)體中，又合成出了絕大多數(shù)超導(dǎo)溫度在50K以上的超導(dǎo)體，創(chuàng)造了大塊鐵基超導(dǎo)體的最高臨界溫度55 K的記錄[6]。中國科學(xué)院物理研究所靳長青團(tuán)隊(duì)于2008年6月30日公布，發(fā)現(xiàn)LiFeAs超導(dǎo)體在18K下表現(xiàn)為超導(dǎo)性，這一超導(dǎo)體由插入碳原子層構(gòu)成，具有Cu2Sb型四方結(jié)構(gòu)，空間群為P4/mmm，簡稱"FeAs-111"。除LiFeAs外，目前還發(fā)現(xiàn)NaFeAs具有9～26K的起始超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度[7]，通過壓力可使Tc達(dá)到31K。美國普林斯頓大學(xué) R.J.Cava實(shí)驗(yàn)小組于2011年6月發(fā)現(xiàn)，電子型摻雜超導(dǎo)體Ca10（Pt3As8）（Fe2As2）和Ca10（Pt4As8）（Fe2As2）（Pt3As8）[8]，Tc分別為11K和26K，并將其縮寫為"FeAs-10-3-8"和"FeAs-10-4-8"。"10-3-8"屬于是三斜晶系，空間群是P-1，其晶格常數(shù)是a= b=8.759 ?，c = 10.641 ?，而"10-4-8"其晶格常數(shù)是a= b=8.733 ?，而c=10.481 ?。在2013年11月，日本名古屋大學(xué)和東京大學(xué)分別公開報(bào)告了一種新型FeAs超導(dǎo)體：Ca1-xLaxFeAs2[9]和（Ca，Pr）FeAs2[10]，Tc分別為20K和34K。這種超導(dǎo)體為單斜結(jié)構(gòu)，空間群為P21，F(xiàn)e2As2層中間夾有 Ca/La/Pr離子層和As-As鏈，As-As鏈位于 Ca/La/Pr離子層中間。 2016年5月，曹光旱課題組報(bào)道了由 CaFeAsF與KFe2As2共插層形成的KCa2Fe4As4F2超導(dǎo)體[11]，Tc為33 K，簡稱"FeAs-12244"這種超導(dǎo)體具有I4/mmm的晶體學(xué)空間群。

下面利用表格對上述鐵基超導(dǎo)體發(fā)展歷史中出現(xiàn)的典型的鐵基超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變溫度與晶胞參數(shù)進(jìn)行匯總，匯總表格如下：

鐵基超導(dǎo)體是高溫超導(dǎo)體，所以臨界溫度比較高，且上臨界場和臨界電流密度也比較高，同時(shí)也具有各項(xiàng)異性較小的特點(diǎn)。在探究鐵基超導(dǎo)體的各項(xiàng)性質(zhì)與影響的同時(shí)，這些特點(diǎn)也被加以利用，作為高溫超導(dǎo)體，最終的目的都是要應(yīng)用到各項(xiàng)技術(shù)中去的，作為高溫超導(dǎo)體的第二大體系，鐵基超導(dǎo)體自然也有多種領(lǐng)域的應(yīng)用，比如，利用其自身上臨界場較高，可以應(yīng)用在各種外界磁場較高的環(huán)境中，例如：核磁技術(shù);磁懸浮列車等等。

鐵基超導(dǎo)材料從2008年被發(fā)現(xiàn)到至今十余年的時(shí)間里，鐵基超導(dǎo)體的發(fā)展是十分迅速的，從零到突破麥克米蘭極限只用了短短的三個(gè)月時(shí)間。我國目前走在鐵基超導(dǎo)體研究的前沿，相信在科研工作者的不懈努力下，在不久的將來，鐵基超導(dǎo)體會(huì)取得更重大的突破。

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