超導“小時代”(29）：高溫超導新通路

天下同歸而殊途，一致而百慮。

                                    ——《周易·系辭下》                      【作者注】《超導小時代》系列文章自2015年9月在《物理》雜志連載，歡迎大家訂閱、圍觀。此文發表于《物理》2018年第3期，詳見http://www.wuli.ac.cn/              

                                        圖1：鐵基鳥巢金蛋里孵出超導             

    2008年，對于絕大多數中國人而言，是不平凡的一年。年初南方遭遇罕見雪災，5月12日四川汶川大地震，8月8日北京奧運會開幕，9月25日“神舟七號”飛船實現首次太空行走。2008年，對于許多中國物理學家而言，更是不平凡的一年，因為這一年里，鐵基高溫超導體，被正式宣布發現，高溫超導從此打開一條新通路(圖1)。

    2008年3月1日~3月5日，中國高等科學技術中心和中國科學院物理研究所、國家超導重點實驗室、北京大學物理學院、清華大學高等研究中心聯合舉辦了一場題為“高溫超導機制研究態勢評估研討會”的學術會議，會議地點在中科院物理所的D樓212會議室。會議的主旨是：“邀請實驗方面和理論方面的第一線的專家作綜述介紹，企圖從全局的視角回顧高溫超導二十多年來研究取得共識的主要結果和分歧的要點，以及有影響的理論模型可解決和無力解決的方面。從而明確進一步努力的方向并激發起對高溫超導研究新的熱情和動力。”當時面臨的情境是，20余年來，銅氧化物高溫超導研究已經陷入困境，世界的科學家們群體陷入迷惘，不少科學家已經紛紛轉向其他研究方向。此次會議邀請了國內頂尖的超導研究專家，商議中國的高溫超導研究在這種大環境下何去何從。如何尋找突破點，前方路在何方，未來是否還值得期待……會議討論非常熱烈，然而基調卻有著些許悲觀。會議討論內容后來被整理成了一本書《銅氧化物高溫超導電性實驗與理論研究》，可謂是中國超導研究的一個里程碑事件[1]。

    往往在你已經幾乎看不到希望的時候，希望就悄然降臨了。

圖2：鐵基超導體 (來自physicstoday.scitation.org)

    就在“高溫超導機制研究態勢評估研討會”的會場這棟樓，也就在會議進行期間，一群年輕科學家正在緊張地忙碌著。他們，正在合成并研究一種新的超導體。此時，距離2月23日日本西野秀雄宣布發現LaFeAsO1-xFx材料具有26 K超導電性剛剛過去一周。就在會議結束這一天，這類新型超導材料，在中科院物理所的實驗室里，被宣布成功合成。根據多年來高溫超導研究的經驗，中國科學家通過初步的物性表征數據，很快就判定這類材料并不像以前偶爾冒出的新超導材料那么簡單。它具有層狀材料結構，很高的上臨界場，較低的電子型載流子濃度[2] [3]。一句話，它很像銅氧化物高溫超導體！這類鐵砷化物新超導體(圖2)，后來被人們稱之為“鐵基超導體”，就是高溫超導新的希望所在！

圖3：鐵基超導材料的發現時間及臨界溫度

    鐵基超導的研究洪流，就這樣在不平凡的2008年里，拉開了帷幕。

    2008年3月初，中科院物理所的聞海虎研究組和王楠林研究組率先合成了LaO1-xFxFeAs材料并研究了其超導物性(注: 后來化學式寫成LaFeAsO1-xFx，即O因電負性放在最后，下同) [2] [3]；聞海虎研究組隨后合成了第一個空穴摻雜的La1?xSrxOFeAs超導體[4]；3月25日，中國科大陳仙輝小組宣布在SmO1?xFxFeAs獲得43 K常壓下超導電性[5]；3月26日，王楠林和陳根富等人宣布CeO1?xFxFeAs中存在41 K常壓超導電性[6]，LnO1-xFxFeAs中Ln可以是La, Ce, Nd, Eu, Gd, Tm等多種元素，其中NdO1-xFxFeAs臨界溫度能達到50 K[7]；3月29日，中科院物理所的趙忠賢和任治安研究組宣布在PrO1-xFxFeAs中發現52 K超導[8]，4月13日，又發現SmO1-xFxFeAs中55 K超導[9]，4月16日-23日，再次宣布在無氟的缺氧體系ReFeAO1-x(Re=La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Ho, Y, Dy, Tb)中同樣存在40 K以上超導[10,11]；4月28日，浙江大學的許祝安研究組和曹光旱研究組宣布Gd1?xThxFeAsO中56 K的超導電性[12]，隨后又發現Tb1?xThxFeAsO中52 K的超導[13]，11月下旬再次宣布同價摻雜的LaFeAs1?xPxO超導體系[14]；6月中旬，中國科大阮可青研究組認為共摻雜的Sm0.95La0.05O0.85F0.15FeAs中存在57.3 K的超導電性[15] (圖3)。新的超導材料在中國大地上不斷涌現，幾乎每周都是驚喜[16,17]。以LaO1-xFxFeAs為基礎發展出了一系列鐵基超導體，都具有ZrCuSiAs結構，被稱為“1111”型鐵基超導材料[18]。

    從起初發現的26 K的LaO1-xFxFeAs超導電性，到之后55 K左右的一系列超導電性的發現，前后不超過2個月的時間，臨界溫度翻了一番還多。更重要的是，如果LaO1-xFxFeAs這類材料屬于傳統的BCS理論描述的常規超導體，那么人們將預期它會遭遇40 K的麥克米蘭極限。既然它能如此輕松地突破40 K的“天花板”，必然是一個非常規超導體，而且是“高溫超導體”！新的高溫超導家族，在銅氧化物高溫超導體研究幾乎陷入絕境之際，就這樣被發現了。如此振奮人心的消息來得如此之快也是超乎想象的[19]。當初第一個銅氧化物超導體Ba-La-Cu-O體系發現35 K的超導電性，到Ba-Y-Cu-O體系90 K以上的超導電性被發現，是間隔了大半年時間的，而后刷新臨界溫度的頻率也是以月為時間單位。如今，在鐵基超導體中，刷新臨界溫度的頻率竟然以天為時間單位，而且迅速在短短的幾周內，就斷定其為高溫超導體，中國速度令全世界刮目相看。在中國科學家不斷刷Tc的同時，世界上的許多研究小組也把注意力轉移到了鐵基超導材料上來。鐵基超導發現人西野秀雄的研究組首當其沖，他們很快利用高壓把LaO1-xFxFeAs的超導電性提升到了43 K[20]，并在8月發現了無氧的CaFe1-xCoxAsF和SrFe1-xCoxAsF超導體系[21,22]。日本、美國、英國、德國等其他研究小組也相繼發現并研究了多個“1111”型鐵基超導材料[23,24]。

    為什么中國科學家能夠如此迅速反應，并在短時間內推進對鐵基超導材料的探索？原因有很多，特別是“高溫超導機制研究態勢評估研討會”上造成的焦慮情緒不可忽略——中國科學家急迫想以自己的行動證明高溫超導研究還沒有走入死胡同。事實上，高溫超導多年來的“冷板凳”造就了一群不怕苦不怕累的中國研究團隊，也積累了非常豐富的超導研究經驗，敏銳的辨別科技前沿能力和敢于突破的嘗試勇氣更是成功的要訣。正如西野秀雄注意到德國W. Jeitschko研究組在LnOFeAs(Ln=La,Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, ...)體系的研究工作一樣[25,26]，中國科學家同樣注意到西野秀雄在2006年和2008年兩篇鐵基超導論文中的幾篇引文。既然LaO1-xFxFeAs存在26 K超導，那么La換成其他稀土元素，當然也有希望超導。只是，在銅氧化物研究的多年經驗告訴我們，稀土元素替換對臨界溫度幾乎沒有影響，例如著名的YBa2Cu3O6+x體系就是如此，換做Nd，Sm，Eu，Yb，Gd， Dy， Ho，Tm等，最高臨界溫度幾乎都在90 K以上[1]。原本中國科學家也未曾意料到對這類材料能突破40 K的麥克米蘭極限，在陳根富等人忙著合成了多個稀土化合物LnO1-xFxFeAs體系之后，還沒來得及測量其超導特性，就著手生長單晶樣品去了，到3月底才意識到競爭的激烈性，熬夜測量發現了它們幾乎都有40 K以上的超導電性。

圖4：鐵基超導體中的磁有序和密度波結構(來自www.nature.com)

    中國科學家在超導材料探索上率先確立了鐵基超導體屬于新一類高溫超導家族，在其物理機制研究上同樣迅速走在世界前列。具有良好科研環境的中科院物理所最大的特點就在于，無處不在有人在討論前沿物理問題，如辦公室、實驗室、樓道里、食堂里、廁所里、球場上等等。據說，一次在工會活動室的牌桌上，他們談起新近發現的鐵基超導體，王楠林提及在西野秀雄的論文里LaOFeAs電阻存在一個拐折點，但并沒有什么物理解釋，理論家方忠立刻指出了可能是密度波有序態造成的[27]。兩個研究組一拍即合，充分結合實驗數據和理論計算，很快就發現這類材料具有多套費米面，因為鐵原子的特殊性，極有可能存在自旋密度波序，也就是磁有序態的一種。果不其然，在美國田納西大學的戴鵬程研究組開展的首個中子散射實驗中，就成功發現了LaO1-xFxFeAs中的反鐵磁有序態[28] (圖4)。這意味著，鐵基材料中的超導，也是來自于對反鐵磁母體的載流子摻雜效應。跟銅氧化物高溫超導體，物理機制極其有可能是一樣的！鐵基高溫超導體，名副其實！

圖5：鐵基超導的媒體報告(來自www.sciencemag.org)

    中國科學家對鐵基超導研究的貢獻并沒有止步于2008年的熱潮，而是一直走在世界隊伍的前列。除了“1111”型鐵基超導材料中的多個發現之外，中國科學家還獨立發現了多個鐵基超導體系，占據了目前已發現的鐵基超導家族的半壁江山[29]。中國科學家最早生長了高質量的鐵基超導單晶樣品，對其基本物理性質開展了詳細的研究，提出了多個鐵基超導機理的理論，發展了鐵基超導線材的制備等，這一系列的研究我們將在后面篇幅陸續介紹。

圖6： 2009年度“求是杰出科技成就集體獎” (來自中科院物理所)

    可以說，正是由于中國科學家集體的努力，鐵基超導才在非常短的時間內聚焦了全世界超導研究學者的目光，并極大地推動了其研究進展。鐵基超導在2008年被多家媒體評為世界十大科學進展之一，也被譽為超導研究領域最具可能的下一個諾貝爾獎。美國《科學》雜志以“新超體把中國物理學家推向世界最前沿”為題(圖5)，如此評價中國科學家的貢獻：“中國如洪流般不斷涌現的研究結果標志著在凝聚態物理領域，中國已經成為一個強國。”[30] 中國鐵基超導研究團隊獲得了2009年度“求是杰出科學成就集體獎”(王楠林、任治安、吳剛、祝熙宇、陳仙輝、陳根富、聞海虎、趙忠賢)，“40K以上鐵基高溫超導體的發現及若干基本物理性質研究”獲得2013年度國家自然科學一等獎(趙忠賢、陳仙輝、王楠林、聞海虎、方忠)，超導材料探索的國際最高大獎馬蒂亞斯獎在2015年度國際超導材料和機理大會頒發給中國科學家 (趙忠賢、陳仙輝)。因為在銅氧化物和鐵基高溫超導體中的突出貢獻，趙忠賢榮獲2016年度國家最高科學技術獎，同年獲最高科技獎的還有諾貝爾生理醫學獎得主屠呦呦。盡管獲獎名額有限，難以全部展現所有中國科學家群體在鐵基超導研究中的貢獻，但這一系列的獎項足以說明中國科學家的杰出成就。中國的超導研究，在鐵基超導的推動下，走在了世界領跑行列里(圖6, 圖7)。

圖7： 中國鐵基超導研究團隊(來自中科院物理所)

    美國《科學》和《今日物理》等雜志特別提到，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并被廣泛應用。隨著越來越多的中國科學家引領世界超導前沿，中國人在國際超導舞臺上的角色也越來越重要。2008年第一場鐵基超導的國際研討會在中科院物理所舉行，國際頂級的超導研究學者展開了熱烈的討論。十年后的2018年，代表超導研究最高水平的第12屆國際超導材料與機理大會將在北京召開，中國科學家不僅是主角而且是組織者。相信在未來，中國的超導之路，將走的更遠更廣！

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