铁基高温超导材料.doc

高温铁基超导材料张学林 200702050940（红河学院理学院07物理 蒙自 661100）摘要：高温超导研究具有广泛的应用价值与科学价值。1986年，IBM研究实验室的物理学家柏诺兹和缪勒发现了临界温度为35K的镧钡铜氧超导体。这一突破性发现导致了一系列铜氧化物高温超导体的发现。柏诺兹和缪勒也因此荣获1987年度诺贝尔物理学奖。自那以后，铜基高温超导电性及其机理成为凝聚态物理的研究热点，但其超导机制至今仍未解决。科学家们都希望在铜基超导材料以外再找到新的高温超导材料，从而能够从不同的角度去研究高温超导机制。中国科学院物理研究所的三个研究小组在短时间内制备出系列的铁基超导材料，并很快将临界温度提升至55K以上，同时在机理研究方面取得了重要进展，引起了全世界的高度关注.关键词： 铁基 铁基高温超导材料 氧化物高温超导体 引言：高温超导电性一直是凝聚态物理学领域的热点研究课题之一。作为强关联电子体系的铜氧化物高温超导体，其丰富的物理性质大大拓宽了人们对凝聚态物质的理解，但是相关的机理却是凝聚态物理领域的难题之一。最近发现的新型铁基超导体，其层状结构与铜氧化物相似，而超导转变温度可以高于50 K。2008年，一种奇特的超导材料临界温度为26K的铁基超导体由日本学者报道后，中国科学院物理研究所的三个研究小组在短时间内制备出系列的铁基超导材料，并很快将临界温度提升至55K以上，同时在机理研究方面取得了重要进展，引起了全世界的高度关注。今日物理、科学等国际多家科技媒体相继报道了中国科学院的研究人员在铁基超导研究中所开展的具有重要影响的工作，并给予高度评价。2008年10月，由物理研究所主办的“北京国际铁（镍）基超导研讨会”在物理所召开，来自国际上超导界、强关联研究方面的知名研究团队的专家，就铁基高温超导材料探索、物理性质、机理以及应用前景进行了深入讨论和交流，并建立了物理研究所与国外研究机构的合作平台。我们将对铁基超导材料做进一部了解，从材料晶体结构差异的角度综合介绍目前发现的铁基超导体。铁基超导材料探索研究的最新进展,它的性能及发展历程和她的发展潜力。传统超导材料的临界转变温度过低，在应用上受到很大限制。与传统超导材料相比，高温超导材料有着更为广阔的应用前景。2008年中国科学家在高温超导领域取得了一系列重大突破，2月继日本东京工业大学Hideo Hosono教授发表文章指出F-掺杂的镧氧铁砷在26K时产生超导电性后，中国科学院物理所王楠林研究组在一周内即完全独立地研制出了这种新型超导材料，并开始对其进行物性研究。几乎与此同时，物理所闻海虎研究组在镧氧铁砷材料中用二价金属Sr替换三价的La，发现其具有25K以上的超导电性。3月25日和26日，中国科学技术大学陈仙辉研究组和物理所王楠林研究组分别独立发现超过40K的非传统超导体。3月29日，赵忠贤研究组研制的氟掺杂的镨氧铁砷化合物的超导临界温度达到52K。4月初，该小组又发现无氟缺氧钐氧铁砷化合物在压力环境下的超导临界温度可进一步提升至55K。此后，研究人员又陆续发现了多种含有铁砷层的类似超导材料，这类材料被统称为铁基超导体。1、第一个铁基高温超导材料Belle Dum文，eliza译LaOFeAs的晶体结构，铁原子（红色），砷原子（黄色），氧原子（绿色），镧原子（灰色）。(Courtesy: G F Chen, Chinese Academy of Sciences).2008 年 1 月初, 细野秀雄小组发现在铁基氧磷族元素化合物 LaOFeAs 中, 将部分氧以掺杂的方式用氟取代, 可使 LaO1xFxFeAs 的临界温度达到26 K,这一突破性进展开启了科学界新一轮的高温超导研究热潮. 我国科研机构, 特别是中国科学院, 迅速开展了卓有成效的研究工作, 在新一轮的高温超导研究热潮中占据了重要位置: 3 月初, 中国科学院物理研究所王楠林研究员领导的研究小组 ( 以下简称 “ 王楠林小组 ”) 很快就合成了LaO0.9F0.1-FeAs 多晶样品, 并测量了基本物理性质。3 月中旬, 中国科学院物理研究所闻海虎研究员领导的研究小组(以下简称“闻海虎小组”)成功合成出第一种空穴掺杂型铁基超导材料 La1xSrxOfeAs; 3月25 日和 3 月 26 日, 中国科学技术大学陈仙辉教授领导的研究小组(以下简称“陈仙辉小组”)和中国科学院物理研究所王楠林小组分别独立发现临界温度超过40 K的超导体; 3月29日, 中国科学院物理研究所赵忠贤院士领导的小组(以下简称“赵忠贤小组”)发现 PrO1xFxFeAs 的超导转变温度可达 52 K. 4 月中旬, 该小组又先后发现在压力环境下合成的SmO1xFxFeAs和 REFeAsO1超导转变温度进一步升至 55 K 等. 此外, 研究人员也在不断探索新型铁基超导材料的应用. 4 月下旬, 中国科学院电工研究所应用超导重点实验室马衍伟研究员领带的研究小组(以下简称“马衍伟小组”)率先成功研制出超导起始转变温度达 25 K 的 LaO1xFxFeAs 线材。 在此基础上, 该小组与闻海虎小组合作又制备出超导起始转变温度高达52 K的 SmO1xFxFeAs线材. 另据报道, 细野秀雄小组已经在新型铁基超导薄膜制作上取得初步成功. 目前, 根据母体化合物的组成比和晶体结构,新型铁基超导材料大致可以分为以下四大体系: (1) “1111”体系, 成员包括 LnOFePn(Ln=La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Tb, Dy, Ho, Y; Pn=P, As)以及 DvFeAsF (Dv = Ca, Sr)等; (2) “122”体系, 成员包括 AFe2As2 (A = Ba, Sr, K, Cs, Ca, Eu)等; (3) “111”体系, 成员包括 AfeAs (A = Li, Na)等; (4) “11”体系, 成员包括 FeSe(Te)等前三个均是FeAs四面体为基本单元形成的超导体系，最后一个则不含As元素，是由FeTe或FeSe四面体构成基本结构单元。在已经知道的1111和122体系，其没有掺杂的母体均会发生结构相变和反铁磁自旋密度波（SDW）相变，取决于层间耦合的强弱，结构相变和磁相变可同时发生（如122）也可先后发生（如1111）。虽然第一性原理计算表明111体系与1111和122体系的电子结构极为类似，但先前在没有掺杂的111体系多晶样品开展的实验研究从未发现结构或磁相变，使得FeAs为基的母体是否一定具有SDW基态成为疑问。课题组的陈根富研究员率先在111体系生长出接近化学计量的单晶样品，通过输运和热力学测量发现存在多个相变，包括52K和41K会发生两个相变，23K以下体系进入超导态。他们的研究表明，52K和41K发生的两个相变应分别对应于结构和SDW相变，而很低的超导成分则是由于样品偏离化学计量的掺杂引起【Phys. Rev. Lett. 102, 227004 (2009)】。他们随即与戴鹏程领导的中子散射组合作，证实了52K和41K分别发生结构和磁相变，实验定出的SDW态磁结构与1111或122体系相同（Phys. Rev. B, Rapid Communications, in-press (2009)）。不含As的11结构体系则十分特别，虽然计算表明其能带结构与FeAs为基的其它体系完全类似，但中子散射实验却发现其低温下磁有序相的反铁磁波矢是在（，0），而不是连接电子和空穴费米面的波矢（，）。这使得费米面叠套驱动的SDW图像对该体系很难适用。课题组的陈根富等生长了该体系的FeTe母体和Se掺杂的超导单晶样品，通过多种实验手段揭示母体的性质与FeAs为基的母体有很大不同，高温下几乎没有自由电子的Drude响应，反映出准粒子寿命很短，电子输运是非相干的，而低温的磁有序态电荷激发谱上并没有能隙打开，这与不是费米面叠套驱动的SDW相一致。实验表明该体系中额外Fe离子导致很强的杂质散射效应。【该工作发表在Phys. Rev. B 79，140509 (Rapid Communications)(2009)】。课题组随即与Princeton大学的Hasan教授小组合作，用角分辨光电子能谱对其电子结构进行细致研究，同样没有发现能隙打开，实验还直接揭示不存在与反铁磁波矢（，0）相对应的明显费米面叠套效应【（Phys. Rev. Lett. 103, in-press (2009)】。上述工作表明11体系FeTe的反铁磁有序与FeAs体系有较大不同，局域磁矩的交换作用对其量子磁性扮演了更重要角色。在这近一年的铁基超导体研究热潮中 , 一大批具有不同结构的新型铁基超导材料被发现 , 它们的物理性质在被广泛地研究。下面首先从材料晶体结构差异的角度综合介绍目前发现的铁基超导体。2、铁基超导材料介绍上图 为 LaFeAsO晶体结构示意图和氟掺杂 LaFeAs O电阻率及摩尔磁化率随温度变化曲线。最初发现的铁基高温超导材料 LaFeAsO 属于 ZrCuSi As结构 , 此类体系的空间群为 P4 /nmm, 具有四方相层状结构 , 如图 2a所示。从 c轴方向看是由 (LaO)+层和 ( FeAs)-层交替构成的 , 一个单胞中有两个 LaOFeAs分子。这类材料的研究历史可以追溯到 1974年, 早在 1995年 , 德国的一个研究小组就报道合成了一系列包括 LaFeAs O在内的四元磷氧化物 L nM PnO (Ln =La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy; M = Mn, Fe, Co, Ni ; Pn = P,As)。但在这类体系中最早发现超导的还是日本Hosono小组 , 他们通过氟元素部分替代氧首先在 LaFe2PO中发现 10 K的超导电性, 但由于其较低的超导转变温度 , 并没有引起人们广泛关注 , 直到 2008年 2月 ,Tc = 26 K的 LaFeAs O1 - x Fx 被发现。随后 , 通过用其他稀土元素 (包括从 Ce到 Sm所有轻稀土元素 , 以及 Gd,Tb, Dy等重稀土元素 )完全替换掉 La, 均能得到 Tc 在5056 K的超导体。后来赵忠贤和任治安等人意识到此类超导体中可能存在氧缺位 , 这种氧缺位可能跟氟掺杂一样引入电子导致超导 , 他们迅速采用高压技术合成了无氟缺氧的电子型 LnFeAsO1 - x , 也能达到55 K左右的超导转变温度。通过在这类化合物中引入电子导致超导的例子还有浙江大学许祝安和曹光汉小组做出的 Gd1 - x Thx FeAs O和 Tb1 - x Thx FeAs 超导体。值得一提的是在铁基材料中由空穴掺杂导致超导首, 他们通过在 LaFeAsO中用 + 2价的 Sr离子部分取代 + 3价的 La离子在 La1 - x Sr x FeAsO中发现了 25 K的超导电 性。沿 着这 个思路 , Nd1 - xSr x FeAs O和 Pr 1 - x Sr x FeAsO等空穴型铁基超导体也逐渐被发现。通过以上基于 LnM PnO母体材料的铁基超导体 (又称为 FeAs - 1111相结构 )的发现 , 人们逐渐认识到 FeAs层对于高温超导电性的重要性 (与此类似的具有 FeP, NiP, Ni As层的超导体往往不具备 10 K以上的超导电性 ) , 它可以类比于铜氧化物中的导电层 CuO面 , 由此人们展开了基于 FeAs层构建新超导材料的探索。在铜氧化物高温超导体中 , 具有多层铜氧面的超导体往往具有更高的临界转变温度 Tc。因此人们也在努力合成具有多层 FeAs面的超导体。美国普林斯顿大学 Cava R J小组报道了基于 NiP层的多层超导体La3Ni 4 P4O2 , 但 Tc 只有 212 K, 似乎用 FeAs层来取代 NiP层无法形成类似的结构。近期中国科学院物理研究所闻海虎小组报道了一种具有 FeAs层的多层化合物 Sr 3 Sc2O5 Fe2As , 但目前为止还没有在此基础上掺杂出超导体的报道 , 因此铁基多层超导体的探索还任重而道远.中国科技大学物理系陈仙辉教授的实验组，在相关结构的氟掺杂的钐氧铁砷化合物中发现了超导电性。这一发现属国际上最先报告。研究论文发表在5月25日自然杂志上。陈仙辉小组通过电阻率和磁化率测量表明，该体系的超导临界温度已达到了43开尔文（摄氏零下230.15度）。该材料为除铜氧化物高温超导体之外第一个临界温度超过40开尔文的非铜氧化物超导体，突破了“麦克米兰极限” （麦克米兰曾经断定，传统超导临界温度最高只能达到39开）。随后，陈仙辉的实验组还发现该体系最高临界转变温度达到54开尔文。 继陈仙辉小组之后，中国科学院物理研究所王楠林小组独立地报道了氟掺杂的铈氧铁砷化合物在41开尔文表现超导电性；该所赵忠贤领导的科研小组将该类铁砷化合物的超导临界温度提升至55开尔文。对中国几个研究小组的重要发现，美国著名杂志科学发表评述文章，称“铁基超导材料将中国物理学家推向前沿”。3、高温铁基超导体超导机理研究进展近期探索铁基超导新材料方面的主要工作是氟基系列母体 AEFeAsF (AE = divalentmetals : Ca, Sr, Eu)的发现。2008年 10月上旬日本 Hosono小组报道了 22 K的超导体 CaFe1 - x CoxAsF。与此同时中国科学院物理研究所闻海虎小组也独立报道了 AEFeAsF系列母体,并通过稀土元素在 AE位上的取代迅速合成了一系列新的具有高临界温度的铁基超导体。例如: Tc = 32 K的Sr 1 - xLax FeAsF以及 Tc = 56 K的 Ca1 - x Ndx FeAsF,如图 5所示。氟基系列母体具有前面介绍过的 ZrCuSi As结构 , 与 LnFeAs O系列的区别在于用具有相同价态的(AEF)-层取代了 (LnO)-层。去年中科院物理所极端条件实验室丁洪小组、王楠林小组和日本东北大学高桥隆小组合作利用角分辨光电子能谱技术，发现了铁基超导体中依赖费米面的无节点的超导能隙 【 EuroPhysics Letters 83, 47001 (2008) 】，在此后的一年多来，丁洪小组和多个研究小组合作对铁基超导体进行了更深入的研究，取得了一系列重要的研究成果，其中最突出的是用多个有说服力的实验结果揭示了反铁磁波矢相连的带间散射 (antiferromagnetic interband scatterings) 和费米面近似嵌套 (Fermi surface quasi-nesting) 是导致铁基超导的最根本原因。 在最佳空穴掺杂的Ba0.6K0.4Fe2As2样品中，他们发现超导配对强度随着两个费米面，即内部的空穴型费米面（）和电子型费米面的近似嵌套而增加 (2/Tc7)，但外部非嵌套的空穴型费米面（）的配对强度却相对较弱(2/Tc3.6)【 EuroPhysics Letters 85, 67002 (2009) 】。然而在最佳电子掺杂的BaFe1.85Co0.15As2样品中，由于电子掺杂费米面与空穴掺杂样品有相反的变化趋势，费米面近似嵌套条件从变到了, 从而费米面上的配对强度也变大了（2/Tc6)，这表明费米面近似嵌套和超导配对有着密切的联系【 Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA 106, 7330 (2009) 】。 紧接着他们又对过空穴掺杂的KFe2As2(Tc=3K) 样品进行了研究，发现和Ba0.6K0.4Fe2As2 (Tc = 37K) 相比,该样品的两个电子型费米面由于过量的空穴掺杂而完全消失，表明通过反铁磁波矢相连的带间散射的存在与否直接影响到超导转变温度的高低【 Physical Review Letters 103, 047002 (2009)】。Physics Today的资深编辑Charles Day 在2009年8月为铁基超导体撰写的专题文章中将此成果作为超导机制的重要实验证据进行了报道。与此相对应，在过掺杂的电子型非超导铁基样品 BaFe1.7Co0.3As2 (Tc = 0K) 中，他们发现该样品的两个空穴型费米面消失，这进一步表明了由反铁磁波矢连接的空穴和电子型费米面的共存对于铁基超导电性的存在具有决定性的作用【 New Journal of Physics 11,025020 (2009) 】。 他们还发现Ba0.6K0.4Fe2As2 样品在25meV处有个能带色散反常，该反常结构在温度高于超导转变温度后基本消失。此色散弯折在动量空间中的位置能够被反铁磁波矢相连。该结果表明该模式以及铁基超导体中的超导配对来源于反铁磁涨落，并支持反相位s-波配对对称性【 Physical Review Letters 102, 047003 (2009) 】。对开展新材料物理性质的研究来说 , 高质量单晶体的获得是很重要的。对于 FeAs - 1111结构材料 , 由于其较高的熔点 (高于 1 800 )以及氟化物的易挥发性 , 单晶生长是非常困难的 , 目前常压下只有用 NaCl作为助熔剂生长 NdFeA sO1 - x Fx 微小单晶 (大小 2070m)的报道, 采用高压合成的方法 , 也仅可以生长出 300m左右大小的单晶。中国科学院物理研究所闻海虎小组首先在常压下生长出 Nd2FeAsO1 - x Fx 微小单晶 , 并与物理研究所微加工实验室合作采用聚焦离子束刻蚀 ( F1 I 1B1)的方法 , 在此单晶上做上电极 , 并进行了一系列各向异性度和输运性质的测量。但总体来说 , 由于单晶尺寸的限制 , 在FeAs - 1111结构中开展的单晶体物理研究还比较有限。与此对比的是在 FeAs - 122相材料中由于其性质类似于合金 , 很容易利用 Sn或 FeAs作为助熔剂生长出厘米量级的单晶体。其中后者是目前为止被广泛承认的生长 FeAs - 122超导单晶的最好助熔剂 (可以避免 Sn引入的异 质污 染 )。此外 对于 LiFeAs,NaFeAs, FeSe1 - x Tex 等材料也有部分有关单晶的报道 ,大多采用类似的助熔剂方法。近期 , BaFe2 - x CoxAs 2 单晶由于生长方法简单 , 单晶性质均匀稳定 , 并且容易生长出从欠掺杂到过掺杂的系列样品而逐渐成为研究热点。4、铁基超导体的特殊物性及应用前景铁基超导材料的发现吸引了凝聚态物理学家广泛的研究兴趣。除了高的超导临界转变温度 , 它还表现出了很多奇异的物理性质 , 诸如: 超导与磁性竞争共存,多能带和多能隙, 可能存在的非常规超导配对机制以及量子临界行为。与最近 20多年来被广泛研究的铜氧化物相比 , 铁基超导体具有非常高的上临界场 , 较低的各向异性 , 同时具有较高的临界电流密度。而且通过测量磁滞回线 , 在 Ba016 K014 Fe2As 2 单晶中发现了类似于 YBCO的鱼尾效应 (第二峰 ), 这些性质都预示了铁基超导材料具有很大的潜在应用价值。近期 ,中国科学院电工所马衍伟小组已经成功地使用粉末套管法 ( Powder2in2tube) 做出转变温度达 25 K的 LaFeAs O1 - xFx线材。超导是物理世界中最奇妙的现象之一。正常情况下，电子在金属中运动时，会因为金属晶格的不完整性（如缺陷或杂质等）而发生弹跳损耗能量，即有电阻。而超导状态下，电子能毫无羁绊地前行。这是因为当低于某个特定温度时，电子即成对，这时金属要想阻碍电子运动，就需要先拆散电子对，而低于某个温度时，能量就会不足以拆散电子对，因此电子对就能流畅运动。通常的低温超导材料中，电子是通过晶格各结点上的正离子振动而结合在一起的。但大多数的物理学家都认为，这一电子对结合机制并不能解释临界温度最高可达138开尔文（零下135.15摄氏度）的铜基材料超导现象超导态中材料电阻为零，这对于众多应用科技而言具有巨大的诱惑力。一般超导合金在接近绝对零度时电阻为零，但由于制冷的原因在应用上遇到障碍，而高温超导是指材料在某个相对较高的临界温度，电阻突降至零，有更广阔的应用前景。1986年，物理学家发现了铜氧化物高温超导体，物理所赵忠贤院士所领导的研究小组曾作出杰出贡献，引起了全球物理学家的关注。自此，科学家们在不断地寻找新的高温超导材料，并尝试揭示其中的物理机理。 东京工业大学的Hideo Hosono在今年2月最先发现的新型超导材料是一种氟掺杂镧氧铁砷化合物，它在临界温度26K（零下247.15摄氏度）时即具有超导特性，这一消息让全世界振奋。此前，科学家知道的唯一一类高温超导材料就是铜氧化物。自2007年12月开始，中科院物理所陈根富博士已投入到镧氧铁砷非掺杂单晶体的制备中，他们在日本科学家宣布结果后一周内实现了超导并测量了基本物理性质。几乎与此同时，物理所闻海虎研究组通过在镧氧铁砷材料中用二价金属Sr替换三价的La，发现有25K以上的超导电性。3月25日和3月26日，中国科学技术大学陈仙辉研究组和物理所王楠林研究组分别独立发现超过40K的超导体，突破麦克米兰极限（麦克米兰曾经断定，传统超导临界温度最高只能达到39K，被称为麦克米兰极限），证实该类超导体为非传统超导体。3月29日，赵忠贤院士领导的小组发现掺氟镨氧铁砷化合物的超导临界温度可达52K，4月初，该小组又发现在压力环境下合成的无氟缺氧钐氧铁砷化合物，其超导临界温度可进一步提升至55K。5月2日，国际物理学界的重要期刊今日物理对铁基新超导体的研究进展进行了更详细的评述，分析了铁基超导材料和铜氧化物超导材料的异同，并指出了该项研究对高温超导研究的重要意义。美国普林斯顿大学的理论物理学家、诺贝尔物理学奖获得者Philip Anderson指出：“如果新超导体的工作机制与铜氧化物超导体不一样，那么其意义可能更加重大。如果它真的是一种全新的机制，上帝才知道它将会走到何处。”中科院院士于禄并没有直接参与该项研究，但他在接受科学时报采访时评价说：“中国科学家的这项研究之所以在世界范围内引起了广泛关注，是因为这不是孤立的成果，而是短时间内取得了一系列的成就，这是国家多年来对科学长期支持的结果。”在这一轮关于铁基超导体的研究中，中国物理学家占据了非常重要的位置，主要研究力量里的4个研究小组中，3个来自中科院物理研究所暨北京凝聚态物理国家实验室，另外一个小组来自中国科技大学。科学杂志评论说：“许多科学家评论，中国如洪流般不断涌现的研究结果标志着在凝聚态物理领域，中国已经成为一个强国。”美国佛罗里达大学理论物理学家Peter Hirschfeld说：“一个或许本不该让我惊讶的事实就是，居然有如此多的高质量文章来自北京，他们确确实实已进入了这个行列。”今年几位中国科学家有了新发现。3月25日，中国科技大学陈仙辉领导的科研小组报告说：氟掺杂钐氧铁砷化合物在临界温度43开尔文（零下230.15摄氏度）时变成超导体。3天后，中科院赵忠贤小组报告，氟掺杂镨氧铁砷化合物的超导临界温度可达52开尔文；假如施以压力，其超导临界温度可进一步提升至55开尔文。此外，中科院闻海虎小组报告说，锶掺杂镧氧铁砷化合物的超导临界温度为25开尔文。5月25日出版的自然上。2008年3月25日，中国科学技术大学陈仙辉教授小组在国际上最先报道了在氟掺杂的钐氧铁砷化合物中发现高于40开尔文的超导电性（43开尔文）。该材料为第一个临界温度超过40开尔文的非铜氧化物超导体，突破了麦克米兰极限（麦克米兰曾经断言，传统超导临界温度最高只能达到39开尔文，被称为麦克米兰极限），高于40开尔文的临界转变温度有力地说明了该体系属于非传统高温超导体。该工作发表在今年6月5日的英国自然杂志上。自然杂志审稿人对该工作给出了高度评价:“这是一篇坚实可靠的论文，开辟了氟掺杂ROFeAs化合物的领域。这一工作表明了超导转变温度（在常压下）高于40开尔文。这项工作是坚实可靠的，有助于该领域基础的创建。”Nature Chemistry、Nature China和Asia Materials将这一工作作为亮点进行了介绍和报道。随后，陈仙辉教授小组进一步发现该体系临界转变温度可达到54开尔文并且提出了该体系的电子相图。与此同时，陈仙辉教授小组还与国际上众多知名研究小组就关于铁基超导体的机理开展了广泛的合作研究。陈仙辉教授研究小组通过电阻率和磁化率测量表明，该体系的超导临界温度已达到了43K。该材料是除铜氧化物高温超导体之外第一个临界温度超过40K的非铜氧化物超导体，突破了“麦克米兰极限”(麦克米兰曾经断定，传统超导临界温度最高只能达到39K，被称为麦克米兰极限)。而高于40K的临界转变温度，也有力地说明了该体系是一个非传统的高温超导体，从而使这类铁基超导体引起全世界科学家的关注。自然杂志的审稿人对该工作给予了高度评价，认为“这是一篇坚实可靠的论文，开辟了氟掺杂ROFeAs(铁基)化合物的领域。这项工作表明了铁基材料的超导转变温度在常压下可高于40K，这有助于奠定该领域的基础。” 超导就是当温度低于超导转变温度（Tc）时材料中电阻完全消失的现象。当电子克服电子间的库仑斥力并形成“库珀对”（Cooper pairs）后电子将在材料中自由地移动，超导现象就出现了。根据低温超导的BCS理论（Bardeen-Cooper- ShriefferTheory），将电子束缚在一起的力源自电子与材料中晶格振动（即声子）的相互作用。但是，BCS理论无法解释1986年发现的超导转变温度高达138K的高温超导体现象。这些“铜化合物”由无数平行的氧化铜平面组成。这些平面中，铜原子位于正方形的晶格上，而电荷（空穴）则位于氧位置上。每个铜原子都有一个未配对的电子，即铜具有磁矩或自旋，一些研究者相信，正是这些自旋间的耦合导致了材料中的超导电性。4.1、26K的超导体东京技术学院(Tokyo Institute of Technology)的Hideo Hosono及其同事发现了第一个铁基高温超导材料。在温度为26K时，材料的电阻消失了。（J.Am.Chem.Soc.130 3296）这种晶体材料叫做镧铁砷氧（LaOFeAs），由铁层和砷层中夹有镧层和氧层组成同时还掺有氟离子。研究人员预期这种超导转变温度为26K的材料在加压的情况下，其临界温度会进一步提高。4.2、不是声子机制初步研究表明这种材料的超导机制不是声子机制（BCS理论），而是与铜基高温超导体类似。美国Rutgers大学的理论物理学家Kristjan Haule及其小组正在研究这一新材料。他说：“一般人都认为这种材料的超导电性应该与低温超导的声子机制吻合。但是，我们的密度泛函计算 （density functional calculations）表明，如果是声子机制，超导转变温度至多在1K左右。”Haule小组的计算表明：未掺杂的LaOFeAs在低温下是一种非常差的金属几乎就是绝缘体（arXiv:0803.1279）。Haule告诉：“这是LaOFeAs不是声子机制的另外一个有力证据，因为以声子机制的超导需要一个具有相干载流子的好的金属态。”4.3、弱耦合理论Haule解释说，确实，这种差金属态与弱掺杂的高温超导体类似。根据他们的研究，这意味着弱耦合理论比如说自旋涨落一种过去提出的（失败的）用于解释铜基超导的弱耦合理论，可能适于解释LaOFeAs超导体。Hosono小组的初步实验结果看来符合这一理论。这种新超导体的发现同时也说明超导现象并不只是局限于发生在铜氧化物和其它一些铀，铈，钚的化合物中。虽然强磁场会破坏超导电性，但这个发现也说明超导电性是可以存在于强磁性材料如铁（当铁被其他适当的原子，如砷所包围）中的。而且，通常在铜中可以忽略的电子的轨道性质可能会发挥重要作用。在寻找更新、更好的铁基超导材料实验进行得如火如荼之时，理论学者们也没有闲着。美国两所高校的科学家联合进行的最新研究，提出了一项新理论，来解释铁基高温超导现象中一些复杂的电、磁特性。【发表在物理评论快报（PRL）上】。1986年首次发现的高温超导现象是凝聚态物理中的一大未解之谜。2006年，有物理学家曾发现过一种铁基超导材料，但它的临界温度只有几开尔文。在2008年2月，一组日本物理学家首先发现了另一种临界温度高于20K的铁基超导材料，随后的3月4月，中国多个研究小组不断在新组合的铁基化合物中发现了高温超导现象，获得材料的临界温度也是越来越高，甚至超过了50K。而在这一浪潮之前，高温超导现象只“可怜”地存在于一类铜氧化物铜酸盐中。美国莱斯大学的理论物理学家斯其苗（Qimiao Si，CUSPEA86）表示，“铁基超导为量子凝聚态领域带来了巨大的刺激和振奋。20多年来，我们的认识仅限于铜氧化物，因此，新的材料被寄予厚望能帮助我们理解高温超导性的深层机制。”斯其苗和美国罗格斯大学的理论学家Elihu Abrahams提出的新理论能够解释铜酸盐和铁基超导材料的一些相似处和不同点。这两类材料中的原子排列都能够创造出一种“强关联电子系统”，其中电子以协调的方式相互作用，并且具有全体的行为。斯其苗和Abrahams提出，铁基超导材料表现出一种“磁阻挫”（magnetic frustration）特性，特殊的原子排列抑制了铁原子通过相互作用自发地磁有序化。这种阻挫效应提高了磁量子涨落，这或许就是导致高温超导的幕后原因。Abrahams表示，“这一切如何精确发生是强关联电子系统中最具挑战性的问题之一。不过即使我们不知道其中的精确机制，我们仍然能够作出一些一般性的、关于铁基超导材料的预测，同时，我们已经提出了许多实验，来检验这些预测。”据悉，这些实验中包括一些特殊形式的电子光谱和自旋态。（科学网 任霄鹏/编译）973计划“超导材料科学及应用中的基础问题研究”项目首席科学家、中科院物理研究所超导国家重点实验室闻海虎研究员领导的小组通过在镧氧铁砷 (LaOFeAs) 材料中用二价金属替换三价的La成功将空穴载流子引入系统，发现有25 K以上的超导电性。这是第一个在铁基新超导材料中合成出空穴掺杂超导体的工作，具有广泛和深远的意义。这个工作否定了日本研究人员2月18日在美国化学会志（JACS）上发表文章的断言，即在该系统中实现超导的关键因素是电子型掺杂，而空穴掺杂不行。目前在空穴掺杂一边发现25K以上的超导电性，将大大拓宽该类材料的探索和研究范围。此次突破为后期更高温度超导体的研制、高温超导机理科学问题研究以及可能的应用发展开辟了新的领域。另外由于该材料本身的一些优点较长的相干长度和较高的上临界磁场，也会有一些潜在应用。该研究成果已经发表在欧洲物理快讯（Europhysics Letters）上，相关工作已经获得专利保护。该工作得到了科技部973计划项目、国家自然科学基金委和中国科学院创新工程项目的支持。【973国家重点基础研究发展计划网站】高温超导电性一直是凝聚态物理学领域的热点研究课题之一。作为强关联电子体系的铜氧化物高温超导体，其丰富的物理性质大大拓宽了人们对凝聚态物质的理解，但是相关的机理却是凝聚态物理领域的难题之一。最近发现的新型铁基超导体，其层状结构与铜氧化物相似，而超导转变温度可以高于50 K。对铁基超导体的研究可以为高温超导另辟蹊径， 有助于揭示高温超导的机理。超导能隙分布及能隙函数的配对对称性是超导电性的一个关键问题。通过探测铁基超导体超流密度可以获得其超导电子配对信息，对铁基超导机理的研究具有重要意义，而这项研究在高质量单晶样品上尤为重要。中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室闻海虎研究员领导的SC1小组在铁基超导体单晶样品生长中取得一系列重要进展。他们用NaCl助熔剂方法生长出尺寸在亚毫米的电子型FeAs-1111单晶并成功测量了单晶的输运性质 （Y. Jia et al., APL 93, 032503(2008)；P. Cheng, et al., Phys. Rev. B 78, 134508 (2008)），同时他们还用FeAs做助熔剂生长出了厘米量级空穴型FeAs-122系列掺杂单晶，通过单晶的性能表征说明它们具有很高的质量（H. Q. Luo, et al., Supercond. Sci. Tec. 21，125014 （2008）； Z. S. Wang, et al., Phys. Rev. B 78, 140501 (2008)）。最近，该组成员任聪副研究员自主开发出了一套基于半导体二维电子器Hall效应的磁测量系统，该系统可以研究微米尺寸材料的低温磁性。利用这一套系统，任聪、单磊和闻海虎等研究人员研究了最佳掺杂Ba0.6K0.4Fe2As2单晶（Tc=36K）的下临界场Hc1的性质，从而获得其超流密度的信息。他们发现Hc1的温度依赖关系具有明显的两能带特征，可以用两个各向同性的s波能隙函数拟合。拟合结果表明，具有较大能隙 （2b/kBTc = 6.0） 的能带对超流密度的贡献小，而较小能隙(2a/kBTc=1.3) 的能带在超流中占据较大的权重。这一结果和第一性原理能带计算的费米面附近的能态密度权重是一致的。他们还指出，比较电子型FeAs-1111体系，BaKFe2As2零温极限下的超流密度比较大，与Tc的关系明显不满足于已知的Uemura标度关系。该标度关系在欠掺杂氧化物超导体中是满足的。此结果说明铁基超导体和氧化物超导体在机理上可能有明显区别。该工作已发表在物理评论快报（C. Ren et al., Physical Review Letter. 101, 257006 (2008)）。该研究工作得到中国科学院、国家自然科学基金委和科技部相关项目的资助。（中国科学院物理研究所） 5、 铁基超导体研究系列最新进展高温超导电性是一个有巨大应用前景和重要科学意义的研究课题。1986年铜氧化物高温超导体的发现，在世界范围内掀起了研究和探索高温超导电性的热潮，时至今日依然是凝聚态物理领域内最受关注的问题之一。在研究铜氧化物高温超导电性的同时，人们也不断努力寻找新的高温超导材料。2006和2007年日本东京工业大学Hosono小组分别报道在LaOFeP和LaONiP材料中发现Tc27 K的超导电性。2008年2月下旬该小组报道对Fe基材料，如果用As置换P，以及部分F替代O，即合成La(O1-xFx)FeAs，则超导转变温度可上升至26 K。这一突破性的进展立刻引发了人们对这一体系的强烈关注。中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室王楠林小组与赵忠贤、闻海虎、方忠等小组一起在这一领域取得了国际同行瞩目的系列重要贡献。王楠林研究员领导的EX1组早在上述26 K超导体发现之前就已经工作在Fe基超导系统。Hosono小组06年和07年关于LaOFeP和LaONiP超导电性的两篇文章分别发表在化学杂志，并不为超导领域研究工作者广泛所知，但受到陈根富副研究员的注意。2007年10月陈根富博士由德国回国加入王楠林领导的研究小组，他们讨论过这两篇文章之后决定生长晶体，以研究其物理性质。由于不希望与已经报道的组分完全相同，他们用同族的As取代P。2007年12月初陈根富开始LaOFeAs晶体生长。之后多次得到片状晶体，后来证实为FeAs，也得到部分LaAs，而不是期望的LaOFeAs。但这些工作的积累为后来的快速进展打下了基础。2008年2月下旬，当得知F-掺杂LaOFeAs多晶体在26K超导后，该小组的雒建林、陈根富等主要研究人员和全组研究力量都投入到新Fe基超导体材料合成和性质研究之中。他们立即改为合成多晶样品，并很快得到Tc超过20K的LaO0.9F0.1-xFeAs超导样品，之后迅速测量了新超导样品的物理性质，包括发现很高的上临界场，用红外光谱测定超导能隙大小，用Hall效应测量确立很低浓度的电子型载流子等。这是在日本小组的突破之后，在国际上开展的第一项物理研究工作。他们在3月2号向“Phys. Rev. Lett.”投稿该项工作，3月3号把该项工作张贴在物理学家广泛关注的arX网站，这也是该网站关于Fe基超导体的第一篇文章。该文章现已被“Phys. Rev. Lett.”接受发表（in-press），见arXiv:0803.0128。之后该研究组对不同F含量的LaO1-xFxFeAs进行了系统研究，他们与物理所方忠课题组合作从比热、磁电阻、光电导谱测量和第一性原理计算首次提出LaOFaAs母体具有自旋密度波不稳定性，指出超导和自旋密度波不稳定性相互竞争，并预言了自旋密度波状态下的条纹反铁磁序磁结构。该项工作于3月24日张贴在arXiv:0803.3426，现已发表在“Europhys. Lett.”（83，27006，2008）。之后该研究组与美国戴鹏程小组合作进行中子衍射实验，证实了母体的反铁磁自旋密度波基态和理论预言的基态磁结构。另外发现电阻发生显著下降温度附近晶体结构具有微弱畸变，而长程磁有序在稍低温度形成。【4月4日张贴在arXiv:0804.0795，已发表在“Nature”（453，899，2008）】。他们用稀土离子Ce替代La合成CeO1-xFxFeAs体系，独立发现超过40K转变温度的超导体系，这是Fe基系统超导转变温度大幅度提高的最重要进展之一。同时通过多种手段测量发现该体系也同样存在超导电性与自旋密度波序的竞争，由此他们指出与反铁磁自旋密度波不稳定性邻近是该类材料寻找高温超导体的要素之一。此外还发现Ce 4f电子在4K以下形成另外一套反铁磁有序结构，它们和超导可以共存，因而Ce 4f电子与超导的Fe 3d电子杂化很弱。【（该工作3月26日张贴在arXiv:0803.3790，现已发表在“Phys. Rev. Lett.） ”（100，247002，2008）】。尽管铁基超导体的研究进展相当快，但仍不足以挑战20年前由铜氧化物（copper oxide或cuprate）超导体创造的最高超导温度记录，不过物理学家仍难以抑制兴奋之情。他们认为，该体系的超导转变最高温度还大有潜力可挖；由于铜氧化物质地很脆，制作用在电缆或磁体中的长导线时需要更复杂的技术工艺，而铁基材料在工业中的应用或许容易一些，超导体里居然含有铁元素，这一点非常罕见。铁原子具有强磁性，而磁性通常会抑制超导电性。事实上，对超导体的界定除了零电阻，还有另外一条具备完全抗磁性，即磁场被屏蔽在超导体之外，而不能穿透其内部。当磁场强度大到足以进入超导体时，超导电性就会被破坏。铁基超导体的超导电性为什么没有被内部铁原子的磁性破坏，这还是一个未解之谜。6、铜氧化物超导体与铁基超导体铁基超导体最吸引人之处，或许在于它让高温超导体家族有了新成员，铜氧化物不再孤独。研究者已经被铜氧化物困扰了20多年，始终没有找到一个理论能解释它的所有性质，尤其是超导转变温度为什么如此之高。现在，研究者或许可以比较铜氧化物和铁基材料这两种高温超导体，找到关键线索，最终解开高温超导这个未解之谜。 层状结构，铁基材料和铜氧化物最大的相似之处在于他们都是层状结构，但这种结构是不是高温超导的关键因素还有待证明。由于铁基材料和铜氧化物这两类超导体在很多方面存在相似性，研究人员希望通过研究铁基超导体找到线索，进而探寻铜氧化物的超导机制。这两种材料的超导转变温度都远远高于其他所有已知超导体。它们都有各自的最佳掺杂浓度，即掺杂到某一浓度时，该体系的超导转变温度可以达到一个极大值，在此温度以下该材料进入超导态，这个转变温度也被称为临界温度（critical temperature）。而欠掺杂和过掺杂样品的超导转变温度都低于最佳掺杂样品，当掺杂浓度逐渐远离最佳掺杂浓度时，超导转变温度逐渐降到绝对零度。换句话说，如果样品的掺杂浓度太低或太高，它都不会超导。 当然，这两种材料最大的相似性还在于结构，铜氧化物和铁基超导体都由不同原子层相互交错堆积而成。铜氧化物的主要特征是铜氧（CuO2）层，相应地，铁基化合物也有由铁和磷族元素构成的原子层，在这些层中，铁元素和元素周期表中氮元素那一列的元素，如磷、砷、锑等结合在一起。细野秀雄教授的研究组发现的26K超导体，就是由镧氧（LaO）层和铁砷（FeAs）层交错构成。 如果把这两种超导体的晶体结构比作三明治，铜氧层和铁砷层就是夹在三明治里的肉。物理学家认为超导电性就源于这个夹心层。两边的“面包片”仅仅为夹心层提供额外的电子，或是从夹心层移走一些电子。往镧氧铁砷（LaOFeAs）掺杂了氟之后，氟就会取代部分氧原子，由于每个氟原子比此前的氧原子多出一个电子，这些额外电子就会转移到铁砷层，进而改变它的电学性质。 沿垂直于层状面的方向俯视，铁砷层的原子仿佛被置于一个纳米尺度的棋盘中；每个铁原子占据一个黑方格，砷原子占据一个白方格。铜氧层的情形与此相似，不同之处在于，棋盘上只有一半的黑方格被铜原子占据。每个铜氧层基本上都是平的，即所有原子共面。与之相反，铁砷层中的砷原子位于铁原子的斜上方和斜下方，每个铁原子周围有4个砷原子，构成一个四面体，砷原子位于四面体的顶点。究竟两种材料结构特点中的相同点更重要，还是不同点更重要，还有待考证。 铜氧化物超导体具有层状结构，这一特点使得它对沿层面传导和垂直于层面传导的超导电流有不同的响应。铜氧化物超导体中，磁场对超导电流的影响取决于磁场方向。当磁场方向平行于铜氧面时，超导体可以承受很大的磁场且依然保持超导状态，而当磁场垂直于铜氧面时，一个较小的磁场就可以破坏超导电性。这一性质在实际应用中很重要，因为很多超导体都用于产生强磁场。铜氧化物的这一特性也被认为是一条潜在线索，或许能够用来解释高温超导的原理。 理论工作者非常看重这些线索，他们花了20年时间，主要专注于发展一个理论，来解释超导电性如何在一个铜氧层中产生。他们认为铜氧化物的二维特性是一个很关键的因素。从理论来看，这种观点是合理的，数学和物理中可以找到很多这样的例子：一个二维体系的独特性质或现象到了三维情形就不再存在，或者变得相当复杂。在铜氧化物超导体这个具体的例子中，大量实验结果显示，铜氧层在整个化合物中的地位非常特殊。 对铁基超导体最早的一些研究表明它似乎也有二维特性，但在2008年7月底，中国科学院王楠林（Nan-Lin Wang）研究员领导的研究组，以及美国爱荷华州立大学的保罗C坎菲尔德（Paul C. Canfield）小组与洛斯阿拉莫斯国家试验室（Los Alamos National La