铁基超导：让我们出乎意料-

1、铁基超导:让我们出乎意料2008十大科学进展解读(二-本报记者陈瑜2008年以前,假如一位学生在参加研究生入学面试时,将铁基化合物列为高温超导材料,该学生只会不及格。这种假设透露了一个信息:该学生对基础知识的掌握不过关。铁基材料通常具有铁磁性,被认为最不具备成为高温超导材料的条件。但历史开了一个大玩笑。在美国科学杂志公布的2008年十大科学进展中,铁基高温超导材料名列其中。在由科技日报社组织,部分院士、多家中央新闻单位以及该报读者参与评选的“2008年国内十大科技新闻”中,该发现同样入围。事件回放铁基化合物惊现超导特性2008年2月23日,日本科学技术振兴机构和东京工业大学联合发布公报称,东京

2、工业大学教授细野秀雄的研究小组合成了氟掺杂钐氧铁砷化合物。该化合物是一种由绝缘的氧化镧层和导电的砷铁层交错层叠而成的结晶化合物。纯粹的这种物质没有超导性能,但如果把化合物中的一部分氧离子转换成氟离子,它就开始表现出超导性,并且在26K(零下247摄氏度时具有超导特性。但是26K的临界温度并没有突破麦克米兰极限(一般认为,传统超导临界温度最高只能达到39K,被称为麦克米兰极限。临界温度可达到55K一个多月后,中国科学技术大学微尺度国家实验室的陈仙辉教授和中国科学院物理研究所的王楠林研究员领导的研究小组几乎同时发现新的铁基高温超导材料,其超导临界温度超过了40K。紧接着,中国科学院物理研究所的赵忠

3、贤院士领导的研究小组又将这一纪录提高到55K。“该材料是除铜氧化合物高温超导体之外,第一个临界温度超过40K的非铜氧化合物超导体,突破了麦克米兰极限。”丁洪认为,这也使人们相信铁基高温超导材料不是传统超导体。新的突破打破铜氧化合物垄断“该发现最大的意义在于实现了高温超导基础研究领域上新的突破,为新型高温超导研究指明了一个新的方向。”中国科学院物理研究所研究员丁洪表示,铁基高温超导材料的出现,也印证了一句话:在科学研究上总有出其不意的惊喜。同时,这项最新发现也结束了过去20多年,铜氧化合物高温超导材料一统高温超导材料江山的局面。丁洪介绍,超导是指物质的电阻在一定条件下变为零的现象,一般需在很低的

4、温度下(靠近绝对零度,即零下273摄氏度才能实现。高温超导材料则是指在相对较高的温度(>40K以上超导的材料。1986年,科学家发现一种成分为钡、镧、铜、氧的陶瓷性金属氧化物,该种铜氧化合物能在临界温度约为35K的条件下成为高温超导材料。随后发现的铜氧化合物超导体的临界温度一路飙升,直至138K,并成为物理学中的一个极为耀眼的研究热点。新的超导机制有望取得突破“铁基高温超导材料的发现,对高温超导的基础研究是一个大的推动。”丁洪笑言,铁基高温超导材料被发现后,对研究人员最直观的影响是睡眠时间的减少。目前,铁基高温超导材料成为凝聚态物理的又一个研究热点,这当中的一个原因是铁基高温超导材料有望

5、促成对高温超导工作机制的突破。在超导体中,电阻为零是因为在临界温度下,大量成对电子的集体运动能完全克服一切微小的阻力。普通的超导体中,成对电子的相互吸引力是由在材料中的离子振动提供的。然而,大多数物理学家认为这种机制无法解释铜氧化合物在温度高达138K时的工作情况。新老两类材料的高温超导机制是否一样?虽然铜氧化合物的超导机制尚未有定论,但诺贝尔奖获得者、美国普林斯顿大学教授菲利普·安德森已经预言,假如不一样,就意味着新材料的发现比预想的要重要得多,也许能从中发现全新的超导机制。有助于将临界温度进一步提高丁洪介绍,以前的研究认为,传统超导体的最高临界温度为23K,但在2001年发现的传

6、统超导体二硼化镁,其临界温度达39K,究其原因,是因为二硼化镁具有两个能带,通过某种机制可以将临界温度提高接近两倍。目前作为单能带的铜氧化合物的临界温度已达138K,如果能将转变温度提高两倍,其临界温度将高于绝对零度(273K,这样就能发现新的常温超导体。而新发现的铁基高温超导材料恰恰是多能带,如果其兼具铜氧化合物的强配对性,也许能将临界温度进一步提高。“发现和研究更高临界温度的高温超导材料,并将超导的临界温度提高到一个新的水平,甚至达到室温超导,会成为物理学学者的下一个竞争的目标。”巨大应用应用尚需时日“铁基高温超导材料具有潜在应用性,但该发现的最大意义体现为基础研究上的突破。将新发现高温超

7、导材料理解为马上能应用,是一种误读。”丁洪认为,基础科学在短时间内一般看不出应用前景,但它通常能为应用前景指明方面。虽然目前超导目前在很多领域有了应用,比如通信技术、磁悬浮技术以及医学上的核磁共振等。但丁洪分析,要真正将铁基高温超导材料用于实践尚需时日。事实上,铁基高温超导材料的发现,在基础研究领域掀起的波澜远远大于应用研究。丁洪介绍,尽管20多年来,铜氧化合物一直是超导领域研究的热点,但铜氧化合物作为陶瓷性金属氧化物,本身也有劣势,如延伸性不够,不适合做导线。相反,铁基高温超导材料在这方面有优势,该材料可以不用氧,只需要两个元素可以做成合金。但铁基高温超导材料的劣势也很明显。目前铜氧化合物的

8、高温超导温度已达138K,而铁基超导温度仅为55K,两者之间差距很大,而转变温度应是越高越好。我国研究目前后劲不足丁洪同时表示,从铜氧化合物到铁基高温超导材料,我国和世界先进国家之间的差距明显缩小,但也应该看到,虽然目前在铁基高温超导材料研究方面,我国走在前面,但由于缺乏优秀科学家、先进技术手段,研究后劲明显不足。相比起来,美国、日本有很好的后续力量。“我国应该在这方面有所侧重,解决发展后劲不足的问题。”新闻缘起近日,美国科学杂志公布了该刊评选出的2008年十大科学进展,其中在对细胞重新编程“定制”细胞系方面的进展名列第一位。科学杂志负责评选的编辑罗伯特·孔茨说:“当科学杂志的作者和

9、编辑们着手挑选今年最大的科学进展时,我们关注的是那些能够解答一些重大问题的科学研究,比如宇宙如何运作,以及那些为未来新发现奠定基础的科学研究。”共享科学栏目将从中选出老百姓关注的科技成果进行解读,让读者和我们一起及时去领略科技的巨大魅力。相关链接高温超导技术应用前景广阔1911年,荷兰莱顿大学的卡茂林·昂尼斯意外地发现,将汞冷却到-268.98°C时,汞的电阻突然消失;后来他又发现许多金属和合金都具有与上述汞相类似的低温下失去电阻的特性,由于它的特殊导电性能,卡茂林·昂尼斯称之为超导态。卡茂林由于他的这一发现获得了1913年诺贝尔奖。这一发现引起了世界范围内的震动。在他之后,人们开始把处于超导状态的导体称之为“超导体”。超导材料和超导技术有着广阔的应用前景。人们可以到用超导原理制造超导列车和超导船,由于这些交通工具将在无磨擦状态下运行,这将大大提高它们的速度和安静性能。超导列车已于上世纪70年代成功地进行了载人可行性试验,超导船已于1992年1月27日下水试航,目前尚未进入实用化阶段。超导材料的零电阻特性可以用来输电和制造大型磁