超導(dǎo)現(xiàn)象最早是由荷蘭物理學(xué)家昂內(nèi)斯（Kamerlingh Onnes）于1911年研究金屬汞（Hg）在低溫下的電阻時發(fā)現(xiàn)的：當(dāng)溫度降至4.2K以下時，汞的電阻突然消失。這種在低溫下發(fā)生的零電阻現(xiàn)象被稱為超導(dǎo)，電阻消失的溫度叫做超導(dǎo)體的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度。
 

荷蘭物理學(xué)家昂內(nèi)斯（圖片來源：諾貝爾基金會檔案）
 

金屬汞的電阻溫度曲線（圖片來源：羅會仟，周興江 現(xiàn)代物理知識, 2012.24(2): 30-39）

除了零電阻，超導(dǎo)體還有另外一個基本特性——邁斯納效應(yīng)（完全抗磁性），即當(dāng)超導(dǎo)體處于超導(dǎo)態(tài)時，超導(dǎo)體內(nèi)部的磁場為零。超導(dǎo)體的完全抗磁性不能由零電阻的性質(zhì)推演出來，二者相互獨立，同時具有這兩個性質(zhì)的材料才叫做超導(dǎo)體。
 

邁斯納效應(yīng)示意圖（圖片來源：維基百科）

1957年，由巴丁（John Bardeen）、庫伯（Leon Cooper）和施里弗（John Robert Schrieffer）提出的著名的微觀超導(dǎo)理論——BCS 理論，非常成功地解釋了金屬或合金超導(dǎo)體的物理性質(zhì)。

微觀上來說，當(dāng)超導(dǎo)材料處于超導(dǎo)臨界溫度之下時，材料中費米面附近的電子將通過相互作用媒介而兩兩配對，這些電子對將同時處于穩(wěn)定的低能組態(tài)。配對后的電子處于凝聚體中，打破電子對需要付出一定的能量，這個能量稱為超導(dǎo)能隙。在外加電場驅(qū)動下，所有電子對整體能夠步調(diào)一致地運動，因此超導(dǎo)又屬于宏觀量子凝聚現(xiàn)象。
 

超導(dǎo)微觀理論“BCS理論”（圖片來源：維基百科）

鐵基超導(dǎo)體

自1911年第一次發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)電性以來，超導(dǎo)研究始終沿著兩個重要的方向發(fā)展，一是探索新的超導(dǎo)材料，不斷提高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度，另一個則是闡明超導(dǎo)機理，從微觀層面上解釋為什么電子能夠在固體材料中暢通無阻。根據(jù)BCS理論，所有的金屬合金超導(dǎo)體臨界溫度存在一個40K的理論上限，即麥克米蘭極限。超導(dǎo)電性被發(fā)現(xiàn)后的近七十多年里，雖然不斷有新的超導(dǎo)體被發(fā)現(xiàn)，但是金屬和合金等這些常規(guī)超導(dǎo)體的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度普遍很低，都沒能超越麥克米蘭極限。

山重水復(fù)疑無路，柳暗花明又一村。

1986年，瑞士科學(xué)家Bednorz和Müller公布了他們在La-Ba-Cu-O化合物中觀察到起始超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度為35K的結(jié)果，這一出人意料的發(fā)現(xiàn)開創(chuàng)了TC的新紀錄，在全世界范圍內(nèi)引起了探索高溫超導(dǎo)體的熱潮。隨后發(fā)現(xiàn)的Y-Ba-Cu-O體系中存在90K以上的臨界溫度，首次突破了液氮溫區(qū)，遠遠超過了麥克米蘭極限。

2008年，日本東京大學(xué)的細野秀雄研究小組利用F替代O，在鐵砷族化合物L(fēng)a[O1-xFx]FeAs中發(fā)現(xiàn)了2K的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變，鐵基超導(dǎo)體被正式宣布發(fā)現(xiàn)。La[O1-xFx]FeAs在高壓下可以達到43K的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變，再一次突破了麥克米蘭極限，高溫超導(dǎo)從此打開了一條新的通路。
 

超導(dǎo)體的發(fā)展歷程（圖片來源：維基百科）


日本物理學(xué)家細野秀雄（圖片來源：東京工業(yè)大學(xué)官網(wǎng)）

隨后中國科學(xué)家用稀土元素替代和高壓合成方法，發(fā)現(xiàn)了一系列的鐵基超導(dǎo)體。短短兩個月，鐵基超導(dǎo)體在常壓下的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度從26K提升到了56K。

中國科學(xué)家的努力，讓鐵基超導(dǎo)躋身成為第二大高溫超導(dǎo)家族，在鐵基超導(dǎo)的洪流中做出了不可磨滅的貢獻。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的鐵基超導(dǎo)體家族，從晶體結(jié)構(gòu)上可以分為：

（1）11體系，即FeSe(Te)，是晶體結(jié)構(gòu)最簡單的鐵基超導(dǎo)體。值得一提的是，利用分子束外延生長的FeSe/SrTiO3薄膜，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度超過65K，受到了廣泛的關(guān)注。
（2）111體系，即AFeAs(A為Li、Na等)，LiFeAs的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度可以達到18K。
（3）122體系，即AeFe2As2（Ae為堿土金屬元素，如Ba、Sr、Ca等）。由于高質(zhì)量、大尺寸、不同摻雜濃度的122 體系超導(dǎo)單晶比較容易獲得，因此122 體系是目前實驗（ARPES、STM、Neutron Scattering）研究最多的鐵基超導(dǎo)體之一。
（4）1111體系，即LnOFeAs（Ln為稀土元素，如La、Ce、Pr、Nd、Sm等）。趙忠賢院士領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在利用高壓合成技術(shù)合成Sm[O1-xFx]FeAs中獲得了55K的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度，目前保持著鐵基超導(dǎo)體塊材的最高記錄。
（5）其它體系，如基于11 體系插層形成的AxFe2?ySe2（A=K、Rb、Cs、Ti等），Aen+1MnOyFe2As2，Aen+2MnOyFe2As2［Ae=Ca、Sr、Ba，M=Sc、V、(Ti, Al)、(Ti, Mg)、(Sc, Mg)］等。
 

鐵基超導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)（圖片來源：Chen,X.H. et al., Nature2008;453:761–2.）

鐵基超導(dǎo)體打破了鐵元素不利于超導(dǎo)的傳統(tǒng)認識，推動了多軌道關(guān)聯(lián)電子系統(tǒng)的研究和發(fā)展。與銅氧化物一樣，鐵基高溫超導(dǎo)體研究蘊含著豐富的物理內(nèi)涵。此外，鐵基超導(dǎo)體具有非常高的超導(dǎo)臨界磁場，制作工藝比較簡單，有希望用于制備新一代超強超導(dǎo)磁體，有著很好的應(yīng)用前景。

作為繼銅氧化物高溫超導(dǎo)體之后的第二大高溫超導(dǎo)家族，鐵基超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)開辟了另外一條研究高溫超導(dǎo)機理的道路，人們普遍相信距離建立高溫超導(dǎo)微觀理論已不遠。超導(dǎo)研究繼續(xù)充滿著驚奇、機遇和挑戰(zhàn)。期待在不遠的將來，室溫超導(dǎo)的夢想可以成為現(xiàn)實。

參考文獻

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[13] 周興江. 科學(xué)通報, 2016, 62: 745 ~ 748


來源：科普中國