铁基高温超导体的发现及近期研究进展

高　绎

(南京师范大学物理科学与技术学院，江苏　南京　210023)



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铁基高温超导体的发现及近期研究进展

高绎

(南京师范大学物理科学与技术学院，江苏南京210023)

本文介绍了传统超导材料及高温超导材料，特别是铁基高温超导体的发现及近期的研究进展，以普及超导知识，为广大教育工作者提供一个与科研最前沿接触的机会.

铁基高温超导体；超导转变温度；超导机理

1　引言

1911年荷兰科学家昂纳斯发现：当温度降至4.2K以下时，汞的电阻消失了，这种电阻为零的现象被称为超导.迄今为止，发现大部分的金属以及一些合金材料在低温下都具有超导现象.美国科学家巴丁、库珀和施瑞佛在1957年对材料的超导电性做出了理论解释，他们指出：超导是由材料中电子与声子的相互作用，即电子与晶格原子振动的相互作用所造成的[1].他们的理论被称为BCS理论，这种由电-声子相互作用导致超导的超导体被称为常规超导体，或传统超导体，受制于麦克米兰极限，这类超导体的超导转变温度不可能超过39K.1986年，德国和瑞士的科学家伯诺兹和缪勒首次发现了一类基于铜元素的超导体[2]，这类材料是氧化物陶瓷，在常温下是绝缘体，而一旦降温，它们的超导转变温度大大超过了麦克米兰极限的39K，最高可达150K左右，这类材料又被称为高温超导体.它们的超导机制不能用BCS理论解释，这说明其机理很有可能不是电-声子作用.高温超导材料及其应用是全球竞争的战略性新兴产业，与传统超导材料相比，这种新材料能在较高温度下达到零电阻，在电力能源、高端医疗设备、轨道交通、大科学工程、军工等领域有着广泛的应用前景，30年来新型高温超导材料的探索和超导机理的研究一直是凝聚态物理的一个重要研究方向.

2　铁基超导体的发现

2008年日本科学家Kamihara等人发现在LaFeAsO1-xFx中，超导转变温度Tc达到26K[3].这一发现具有里程碑性的意义，立刻引起了超导界的广泛关注，原因如下：第一，该发现导致了一系列具有更高Tc的材料的产生.在LaFeAsO1-xFx中，Takahashi等人发现4GPa的压强可使超导转变温度从26K提高到43K[4].受其启发，研究人员利用化学压力，用更小的稀土元素离子如Gd、Sm、Nd、Pr、Ce替代La，在SmFeAsO0.85F0.15中测得Tc=43K[5]，随后又在SmFeAsO0.85中将Tc提高至55K[6]，Tc为56K在Gd0.8Th0.2FeAsO、Sr0.5Sm0.5FeAsF和Ca0.4Nd0.6FeAs中被观测到[7]，这种提高转变温度的方法(压力以及化学压力)与铜氧化物高温超导体具有类似性.第二，Kamihara等人的发现导致了一类新的高温超导体的产生，即铁基超导体(“FePn”，Pn=As或P以及“FeCh”，Ch=S、Se或Te)，其种类多种多样并且还在快速增加.目前铁基超导体主要具有这样几种结构：(1) “1111”结构(稀土元素/铁/磷族元素/氧，例如LaFeAsO)；(2) “122”结构(MFe2As2)，其中在K掺杂的BaFe2As2(Ba0.6K0.4Fe2As2)中，Tc可达38K；(3) “111”结构(MFeAs)；(4) “11”结构(FeSe)；(5) “21311”结构(Sr2MO3FePn，M=Sc，V或Cr)；(6) 新型“122”结构(AxFe2-ySe2).这些体系的许多物理性质既相互关联，又有所不同，如何统一理解它们的超导机理是当前铁基超导体研究中的一个热点问题.第三，铁基超导体的超导机制可能与磁性紧密关联，这也是一个非常有趣的问题.目前主要认为铁基超导体中的超导机制不是以声子为媒介的.理论上可能的超导机制包括自旋涨落或轨道间电子对跃迁，如果确实如此，那么由于在这样的机制中特征能量的尺度远大于BCS理论中平均声子能量尺度，因此有可能会导致更高的超导转变温度.第四，铁基超导体的发现结束了铜氧化物在高温超导领域一统天下的局面，为高温超导探索研究注入了新的活力，目前在单层FeSe中，转变温度也可达100K左右.

3　铁基超导体的近期研究进展

尽管铁基超导体的种类多种多样，但彼此之间仍有一些相似的性质，对于理解高温超导体的超导机理起着至关重要的作用.这些相似性主要体现在这样几个方面：第一，与铜氧化物高温超导材料的结构相似，铁基超导材料也具有准二维的层状结构.Fe原子组成平面四方网格，是产生超导电性的关键结构单元，电子的输运和超导就发生在这些层中.第二，在大部分铁基超导体中，磁性与超导相或是彼此相邻、或是相互共存，表现出磁性与超导间的紧密关联.并且与铜氧化物超导体类似，在铁基超导体中，随着掺杂量的增加，磁性逐渐消失，而超导转变温度随掺杂量的变化关系呈现圆顶状曲线.第三，角分辨光电子谱实验发现：铁基超导体中存在不连续的费米面以及费米面间的准嵌套[8].在布里渊区中心Γ点处有一些空穴型的费米面，而在布里渊区边缘M点处则有一些电子型的费米面，并且有些费米面的大小、形状相近，形成费米面准嵌套.在大小相近的费米面上超导能隙相对较大，随着掺杂的进行，当费米面间的准嵌套被破坏时，超导电性也强烈地被抑制甚至消失.最后，与铜氧化物高温超导体类似，中子散射实验发现：在铁基超导体中，在Tc以下存在自旋波共振峰，其波矢恰好连接准嵌套的费米面.这些实验证据表明铁基材料超导电性很可能与自旋涨落诱导的准嵌套费米面间的电子散射相关.

4　我国科学家的研究

对于铁基超导体的研究，我国科学家做出了杰出的贡献.比如，在超导材料的制备方面，中国科学院赵忠贤院士、王楠林研究员，中国科学技术大学陈仙辉院士，浙江大学方明虎教授、袁辉球教授、许祝安教授及中国人民大学陈根富教授等处于世界领先地位.中国科学院戴鹏程研究员及中国人民大学鲍威教授带领各自的研究小组利用中子散射对铁基超导体的磁结构及自旋动力学进行了详尽的研究.中国科学院丁洪研究员、周兴江研究员和复旦大学封东来教授的课题组利用角分辨光电子谱对铁基超导体的能带结构、费米面与超导能隙的大小等方面做了详细考察.另外，南京大学闻海虎教授、清华大学薛其坤教授及中国科学院潘庶亨研究员利用扫描隧道显微镜研究了一系列铁基超导体的态密度及磁通涡旋态，中国人民大学于伟强教授利用核磁共振对超导体中的自旋涨落进行了研究.在理论方面，中国科学院向涛研究员及中国人民大学卢仲毅教授利用第一性原理预言了铁基超导体的能带和可能的磁结构，并得到了实验的验证.南京大学李建新教授、王强华教授及中国科学院胡江平研究员对超导机制也做了大量的研究.

5　小结

目前世界上对铁基超导材料的研究还在如火如荼地进行中，铁基高温超导材料的研究也于2014年获得了国家自然科学一等奖.有关铁基高温超导体的研究，对整个高温超导现象物理起源的理解有极大的启发意义，有助于进一步加深对高温超导机理的认识，也为发现新的高温超导体提供了新的方向.

[1] Bardeen J, Cooper L N, and Schrieffer J R, Microscopic Theory of Superconductivity [J]. Physical Review, 1957, 106: 162; Bardeen J, Cooper L N, and Schrieffer J R, Theory of Superconductivity [J]. Physical Review, 1957, 108: 1175.

[2] Bednorz J G and Müller K A, Possible high Tcsuperconductivity in the Ba-La-Cu-O system [J]. Zeitschrift für Physik B Condensed Matter, 1986, 64: 189.

[3] Kamihara Y, Watanabe T, Hirano M, and Hosono H, Iron-Based Layered Superconductor La[O1-xFx]FeAs (x= 0.05-0.12) with Tc=26K [J]. Journal of the American Chemical Society, 2008, 130 (11): 3296.

[4] Takahashi H, Igawa K, Arii K, et al., Superconductivity at 43K in an iron-based layered compound LaO1-xFxFeAs [J]. Nature, 2008, 453: 376.

[5] Chen X H, Wu T, Wu G, et al., Superconductivity at 43 K in SmFeAsO1-xFx[J]. Nature, 2008, 453: 761.[6] Ren Z A, Che G C, Dong X L, et al., Superconductivity and phase diagram in iron-based arsenic-oxides ReFeAsO1-δ(Re = rare-earth metal) without fluorine doping [J]. Europhysics Letters, 2008, 83: 17002.

[7] Wang C, Li L J, Chi S, et al., Thorium-doping-induced superconductivity up to 56K in Gd1-xThxFeAsO [J]. Europhysics Letters, 2008, 83: 67006; Wu G, Xie Y L, Zhong M, et al., Superconductivity at 56K in samarium-doped SrFeAsF [J]. Journal of Physics: Condensed Matter, 2009, 21: 142203; Cheng P, Shen B, Mu G, et al., High-Tcsuperconductivity induced by doping rare-earth elements into CaFeAsF [J]. Europhysics Letters, 2009, 85: 67003.

[8] Ding H, Richard P, Nakayama K, et al., Observation of Fermi-surface-dependent nodeless superconducting gaps in Ba0.6K0.4Fe2As2[J]. Europhysics Letters, 2008, 83: 47001.

名师简介：高绎(1981—)，男，江苏南京人，南京大学博士，美国休斯顿大学德州超导中心博士后，南京师范大学物理科学与技术学院副教授、硕士生导师，研究方向为凝聚态物理.