超導是20世紀最偉大的發現之一，它的發現不僅揭示了一個新奇的微觀量子世界，而且為凝聚態物理開辟了新的研究方向。 

　　鐵基超導體，作為繼銅氧化物高溫超導體發現后的第二個高溫超導體家族，再一次打破了人們對傳統超導的認識，為高溫超導的研究打開了另外一扇大門。 

　　什么是超導 

　　超導現象最早是由荷蘭物理學家昂內斯（Kamerlingh Onnes）于1911年研究金屬汞（Hg）在低溫下的電阻時發現的：當溫度降至4.2K以下時，汞的電阻突然消失。這種在低溫下發生的零電阻現象被稱為超導，電阻消失的溫度叫做超導體的超導轉變溫度。 

荷蘭物理學家昂內斯（圖片來源：諾貝爾基金會檔案） 


金屬汞的電阻溫度曲線（圖片來源：羅會仟，周興江 現代物理知識, 2012.24(2): 30-39） 

　　除了零電阻，超導體還有另外一個基本特性——邁斯納效應（完全抗磁性），即當超導體處于超導態時，超導體內部的磁場為零。超導體的完全抗磁性不能由零電阻的性質推演出來，二者相互獨立，同時具有這兩個性質的材料才叫做超導體。 

　邁斯納效應示意圖（圖片來源：維基百科） 

　　1957年，由巴丁（John Bardeen）、庫伯（Leon Cooper）和施里弗（John Robert Schrieffer）提出的著名的微觀超導理論——BCS 理論，非常成功地解釋了金屬或合金超導體的物理性質。 

　　微觀上來說，當超導材料處于超導臨界溫度之下時，材料中費米面附近的電子將通過相互作用媒介而兩兩配對，這些電子對將同時處于穩定的低能組態。配對后的電子處于凝聚體中，打破電子對需要付出一定的能量，這個能量稱為超導能隙。在外加電場驅動下，所有電子對整體能夠步調一致地運動，因此超導又屬于宏觀量子凝聚現象。 


超導微觀理論“BCS理論”（圖片來源：維基百科） 

　　鐵基超導體 

　　自1911年第一次發現超導電性以來，超導研究始終沿著兩個重要的方向發展，一是探索新的超導材料，不斷提高超導轉變溫度，另一個則是闡明超導機理，從微觀層面上解釋為什么電子能夠在固體材料中暢通無阻。根據BCS理論，所有的金屬合金超導體臨界溫度存在一個40K的理論上限，即麥克米蘭極限。超導電性被發現后的近七十多年里，雖然不斷有新的超導體被發現，但是金屬和合金等這些常規超導體的超導轉變溫度普遍很低，都沒能超越麥克米蘭極限。 

　　山重水復疑無路，柳暗花明又一村。 

　　1986年，瑞士科學家Bednorz和Müller公布了他們在La-Ba-Cu-O化合物中觀察到起始超導轉變溫度為35K的結果，這一出人意料的發現開創了TC的新紀錄，在全世界范圍內引起了探索高溫超導體的熱潮。隨后發現的Y-Ba-Cu-O體系中存在90K以上的臨界溫度，首次突破了液氮溫區，遠遠超過了麥克米蘭極限。 

　　2008年，日本東京大學的細野秀雄研究小組利用F替代O，在鐵砷族化合物La[O1-xFx]FeAs中發現了2K的超導轉變，鐵基超導體被正式宣布發現。La[O1-xFx]FeAs在高壓下可以達到43K的超導轉變，再一次突破了麥克米蘭極限，高溫超導從此打開了一條新的通路。 


超導體的發展歷程（圖片來源：維基百科） 

日本物理學家細野秀雄（圖片來源：東京工業大學官網） 

　　隨后中國科學家用稀土元素替代和高壓合成方法，發現了一系列的鐵基超導體。短短兩個月，鐵基超導體在常壓下的超導轉變溫度從26K提升到了56K。 

　　中國科學家的努力，讓鐵基超導躋身成為第二大高溫超導家族，在鐵基超導的洪流中做出了不可磨滅的貢獻。目前已經發現的鐵基超導體家族，從晶體結構上可以分為： 

　　（1）11體系，即FeSe(Te)，是晶體結構最簡單的鐵基超導體。值得一提的是，利用分子束外延生長的FeSe/SrTiO3薄膜，超導轉變溫度超過65K，受到了廣泛的關注。 

　　（2）111體系，即AFeAs(A為Li、Na等)，LiFeAs的超導轉變溫度可以達到18K。 

　　（3）122體系，即AeFe2As2（Ae為堿土金屬元素，如Ba、Sr、Ca等）。由于高質量、大尺寸、不同摻雜濃度的122 體系超導單晶比較容易獲得，因此122 體系是目前實驗（ARPES、STM、Neutron Scattering）研究最多的鐵基超導體之一。 

　　（4）1111體系，即LnOFeAs（Ln為稀土元素，如La、Ce、Pr、Nd、Sm等）。趙忠賢院士領導的研究小組在利用高壓合成技術合成Sm[O1-xFx]FeAs中獲得了55K的超導轉變溫度，目前保持著鐵基超導體塊材的最高記錄。 

　　（5）其它體系，如基于11 體系插層形成的AxFe2？ySe2（A=K、Rb、Cs、Ti等），Aen+1MnOyFe2As2，Aen+2MnOyFe2As2［Ae=Ca、Sr、Ba，M=Sc、V、(Ti, Al)、(Ti, Mg)、(Sc, Mg)］等。 


鐵基超導體的晶體結構（圖片來源：Chen,X.H. et al., Nature2008;453:761–2.） 

　　鐵基超導體打破了鐵元素不利于超導的傳統認識，推動了多軌道關聯電子系統的研究和發展。與銅氧化物一樣，鐵基高溫超導體研究蘊含著豐富的物理內涵。此外，鐵基超導體具有非常高的超導臨界磁場，制作工藝比較簡單，有希望用于制備新一代超強超導磁體，有著很好的應用前景。 

　　作為繼銅氧化物高溫超導體之后的第二大高溫超導家族，鐵基超導體的發現開辟了另外一條研究高溫超導機理的道路，人們普遍相信距離建立高溫超導微觀理論已不遠。超導研究繼續充滿著驚奇、機遇和挑戰。期待在不遠的將來，室溫超導的夢想可以成為現實。 

　　  

　　參考文獻 

　　[1] H. K. Onnes, A kad van Wetenschappen (Amsterdam) 14, 818 (1911). 

　　[2] J. G. Bednorz et al., Z. Phys, B 64, 189-193 (1986). 

　　[3] M. K. Wu et al., Phys. Rev. Lett. 58, 908 (1987). 

　　[4] 趙忠賢等，科學通報 32, 412 (1987). 

　　[5] Y. Kamihara et al., J. Am. Chem. Soc. 130, 3296 (2008). 

　　[6] Takahashi, H. et al.,Nature 453,376–378(2008). 

　　[7] Chen,X.H. et al., Nature2008;453:761–2. 

　　[8] Ren, Z.A. et al., ChinPhysLett2008;25:2215. 

　　[9] 張裕恒，超導物理 中國科學技術大學出版社 

　　[10 Chen X. H. et al., Nat. Sci. Rev.,2014, 1: 371-395 

　　[11] 羅會仟, 物理 2014.43(07): 430-438. 

　　[12] 羅會仟，周興江 現代物理知識, 2012.24(2): 30-39 

　　[13] 周興江. 科學通報, 2016, 62: 745 ~ 748 

超導發展遇瓶頸？老“鐵”來幫忙！

圖文簡介

摘要：超導是20世紀最偉大的發現之一，它的發現不僅揭示了一個新奇的微觀量子世界，而且為凝聚態物理開辟了新的研究方向。鐵基超導體，作為繼銅氧化物高溫超導體發現后的第二個高溫超導體家族，再一次打破了人們對傳統超導的認識，為高溫超導的研究打開了另外一扇大門。