中日科學家高溫超導研究獲重大進展

繼銅基超導材料之后，日本和中國科學家最近相繼報告發現了一類新的高溫超導材料——鐵基超導材料。美國《科學》雜志網站報道說，物理學界認為這是高溫超導研究領域的一個“重大進展”。
 
高溫超導是指材料在某個相對較高的臨界溫度，電阻突降至零。1986年，科學家發現了第一種高溫超導材料——鑭鋇銅氧化物。自那以后，銅基超導材料成為全世界物理學家的研究熱點。
 
然而直至今日，對于銅基超導材料的高溫超導機制，物理學界仍未形成一致看法，這也使得高溫超導成為當今凝聚態物理學中最大的謎團之一。因此很多科學家都希望在銅基超導材料以外再找到新的高溫超導材料，從而能夠使高溫超導機制更加明朗。
 
就在今年2月，日本科學家首先報告說，氟摻雜鑭氧鐵砷化合物在臨界溫度26開爾文（零下247.15攝氏度）時，即具有超導特性。3月25日，中國科技大學陳仙輝領導的科研小組又報告，氟摻雜釤氧鐵砷化合物在臨界溫度43開爾文（零下230.15攝氏度）時也變成超導體。
 
3月28日，中國科學院物理研究所趙忠賢領導的科研小組報告，氟摻雜鐠氧鐵砷化合物的高溫超導臨界溫度可達52開爾文（零下221.15攝氏度）。4月13日該科研小組又有新發現：氟摻雜釤氧鐵砷化合物假如在壓力環境下產生作用，其超導臨界溫度可進一步提升至55開爾文（零下218.15攝氏度）。此外，中科院物理所聞海虎領導的科研小組還報告，鍶摻雜鑭氧鐵砷化合物的超導臨界溫度為25開爾文（零下248.15攝氏度）。
 
超導是物理世界中最奇妙的現象之一。正常情況下，電子在金屬中運動時，會因為金屬晶格的不完整性（如缺陷或雜質等）而發生彈跳損耗能量，即有電阻。而超導狀態下，電子能毫無羈絆地前行。這是因為當低于某個特定溫度時，電子即成對，這時金屬要想阻礙電子運動，就需要先拆散電子對，而低于某個溫度時，能量就會不足以拆散電子對，因此電子對就能流暢運動。
 
通常的低溫超導材料中，電子是通過晶格各結點上的正離子振動而結合在一起的。但大多數的物理學家都認為，這一電子對結合機制并不能解釋臨界溫度最高可達138開爾文（零下135.15攝氏度）的銅基材料超導現象。每一種銅基超導材料都是由層狀的“銅－氧”面組成，其中的電子是如何成對的，仍是未解難題。
 
中日科學家新發現的這一系列鐵基超導材料都具有相同的晶體結構，它們在有些方面與銅基超導材料驚人地相似。但是計算表明，這些鐵基超導材料的晶格振動提供的電子對結合力量，不足以使材料超導臨界溫度達到如此高的水平。
 
因此，擺在物理學家面前的一個新問題是，新老兩類材料的高溫超導機制是否一樣？諾貝爾獎獲得者、美國普林斯頓大學理論物理學家菲利普·安德森說，假如不一樣，那就意味著新材料的發現比預想的要重要得多，也許能從中發現全新的超導機制。聞海虎認為，新的鐵基超導材料有可能會為探究高溫超導機制提供一個更清晰的體系，在此基礎上，銅基超導材料的高溫超導機制“可能會一下子變清晰”。
 
但是，也有科學家持有異議。美國斯坦福大學科學家史蒂夫·基沃爾森就認為，兩類材料都是成面結構，都是從導電性能很差的材料轉化而來，而且都表現出一種名為“反鐵磁性”的磁特性。他說：“兩者具有足夠的相似性，因此可以假設，它們是本質相同的高溫超導材料。”
 
不過，科學家們都認同一點，那就是新的鐵基超導材料將激發物理學界新一輪的高溫超導研究熱。而下一步，科學家們將著眼于合成由單晶體構成的高品質鐵基高溫超導材料。