聚焦中科院物理所：铁基超导领域的中国军团
2014年01月16日
作者：姜天海
来源：中国科学报
聚焦中科院物理所：铁基超导领域的中国军团
■本报见习记者 姜天海
凌晨两三点钟，中国科学院物理研究所（以下简称物理所）研究员王楠林和同事陈根富、雒建林匆匆走出D楼的大门，各自回家休息。
三四个小时后，他们又回到实验室继续工作。
2008年3月，铁基超导研究竞争全面铺开，王楠林和他的同事经常要过着这样的生活：在实验室工作到凌晨，回家冲个澡，休息几个小时甚至个把钟头，便又回到实验室开始新一天的工作。
1911年,荷兰物理学家卡麦林·昂尼斯发现超导之后，已经有10人因超导研究获得诺贝尔奖。因此，对超导机理以及全新超导体的探索，是当今物理学界最重要的前沿问题之一，被誉为“20世纪最伟大的科学发现之一”。
如此重要的领域，中国科学家自然不能缺席。
自2008年以来，他们将目光逐步对准了铁基高温超导体。这种超导体以铁为关键化学元素，与1986年欧洲科学家发现的铜氧化物高温超导体相比，在工业上更加容易制造，同时还能够承受更大的电流，具有更广泛的应用。
物理所和中国科学技术大学（以下简称中科大）的中国科学家不仅首先使铁基超导体突破了“麦克米兰极限温度”（40K，约零下233摄氏度），创造了铁基超导体临界转变温度的世界纪录，并且在铁基超导的电子结构、物性和机理研究方面均达到国际一流水平，形成了强大的中国超导团队。
“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一（凝聚态物理强国的）行列。”著名理论物理学家、美国佛罗里达大学教授Peter Hirschfeld评价道。
超导中的璞玉
早在2006年，陈根富在德国马克斯-普朗克学会做访问学者时，就对当时报道的镧氧铁磷超导体很感兴趣，并认为用砷取代磷也可能具有超导等非常规的物理性质。
2007年9月，陈根富一加入物理所王楠林研究组，就提出要做镧氧铁砷超导材料的制备研究，并计划开展其他稀土替代物铈氧铁砷等材料的合成。
但稀土元素镧、铈等容易氧化，砷在空气中又可能氧化生成砒霜。因为缺乏手套箱等基本设备，陈根富只得放弃镧氧铁砷材料的多晶制备，从难度更大的单晶生长入手。
为尽量避免稀土和砷粒被氧化，陈根富一边戴着医用胶皮手套和口罩防止砷中毒，一边迅速取出玻璃管中封存的砷和稀土，称量后立即将其封入钽管，放入高温炉中促使其进行单晶生长。
经过一段时间的摸索，闪着银白色金属光泽的片状化合物单晶合成出来，后确认为铁砷。尽管没有生长出预期的镧氧铁砷单晶样品，实验结果也为后面的研究奠定了基础。
2008年2月18日，日本东京工业大学细野秀雄研究组报道在四方层状的铁砷化合物：掺氟的LaOFeAs（镧氧铁砷化合物）中存在转变温度为26K（零下247.15摄氏度）的超导电性。虽然这个转变温度仍然低于40K，但却立刻引起了物理所从事超导研究人员的注意。
他们敏锐地发现，由于铁的3d轨道电子通常倾向形成磁性，因此在该种结构体系中出现26K超导非同寻常，极有可能具有非常规的超导电性。
“镧氧铁砷不是孤立的，26K的转变温度也大有提升空间，类似结构的铁砷化合物中很可能存在系列高温超导体。必须抓住机遇，全力以赴！”中科院院士赵忠贤和团队成员得出一致结论。
东方超导强国
只有26K，远低于40K的“麦克米兰极限温度”。当时的国际物理学界对铁基超导体仍举棋不定。
中国人的坚持彻底打消了外国人的疑虑。
“在过渡金属化合物中，除了铜氧化物，镧氧铁砷的临界温度已经非常高了。特别是铁容易形成铁磁有序，居然能够在这么高的温度就实现超导，我们非常感兴趣。”王楠林停下了手中的其他工作，召开组会，动员课题组全力以赴投入到铁基超导体的研究当中。
由于之前试图生长铁砷化合物单晶时积累下不少经验，陈根富很快就在刚调试好的手套箱上，以另外一种合成路径制备出临界温度超过20K的镧氧铁砷多晶样品，课题组其他成员迅速进行物性表征。
那段日子，陈根富和同事每天睡眠时间极少，不仅要自己探索新材料，还要为其他研究组提供高质量的超导样品。
当时，很多国外研究组苦于没有样品，做不了实验，纷纷向物理所请求样品支援。美国普林斯顿大学的一位教授在E-mail中甚至提到请诺贝尔物理学奖得主P. W. Anderson给物理所所长王玉鹏写信，希望拿到一些铁基超导单晶样品。
但王玉鹏建议：“有富余的应先满足中国同行。”
随后，正如《科学》杂志一篇题为《第二类高温超导家族被发现》的报道中所说的：“接着，中国研究者（将超导研究）接管过来”。
不到一个星期的时间，中国科学技术大学陈仙辉研究组和王楠林研究组几乎同时分别在SmO1-xFxFeAs（铁基砷化物）体系和CeFeAs（O,F）中观测到了43K和41K的超导转变温度，突破了“麦克米兰极限”，从而证明铁基超导体是继铜氧化物后的又一类非常规高温超导体。
这一发现在国际上引起极大轰动，标志着经过20多年的不懈探索，人类发现了新一类的高温超导体。
为进行更加系统和深入的研究，赵忠贤研究组利用高压合成技术制备出一大批不同元素构成的铁基超导材料并制作了相图。这一成就被国际物理学界公认为铁基高温超导家族基本确立的标志。
在这一过程中，他们不仅率先使转变温度突破了50K，更创造了55K的铁基超导体转变温度世界纪录。
中国科学家争分夺秒的研究引领了国际超导研究的热潮，取得了举世瞩目的成就。美国斯坦福大学教授Steven Kivelson感叹道：“让人震惊的不仅是这些成果出自中国，重要的是它们并非出自美国。”
截至2013年1月4日，中国科学家在铁基超导体研究上的8篇代表性论文SCI他引达到3801次，20篇主要论文SCI他引达到5145次。2013年2月，中国科学院国家科学图书馆统计数据显示，世界范围内铁基超导研究领域被引用数排名前20的论文中，9篇来自中国，其中7篇来自物理所。
《科学》《自然》《今日物理》《物理世界》等国际知名学术刊物纷纷以专门评述或作为亮点进行跟踪报道。中国科学家的铁基超导体工作研究也因此被评为《科学》杂志“2008年度十大科学突破”、美国物理学会“2008年度物理学重大事件”及欧洲物理学会“2008年度最佳”。
25年高温超导梦
中国科学家此次能够占领铁基超导研究的制高点，绝非偶然。
2008年前，高温超导家族中只有铜氧化物一枝独秀。
1986年，两名欧洲科学家发现了以铜为关键超导元素的铜氧化物超导体，转变温度超过了“麦克米兰极限温度”，引起科学界轰动。
第二年，赵忠贤等人也独立发现了起始转变温度在100K以上的Y-Ba-Cu-O（钇钡钢氧）新型超导体。大大加速了全球高温超导的研究进程，并荣获1989年国家自然科学奖一等奖。同年，经当时的国家计委批准，物理所成立了国内第一个、也是迄今为止唯一一个超导国家重点实验室。
然而热潮之后，全球的高温超导研究遇到了瓶颈。
当时热门的铜氧化物高温超导体属于陶瓷性材料，制作工艺极其复杂，难以大规模应用。而且其中丰富物理内涵的高温超导机理也没有得到解决。20世纪90年代中后期，国际物理学界倾向认为铜氧化物超导体能给出的信息基本上挖掘殆尽。
与之相伴的是，在各种国际学术期刊发表高温超导的论文越来越难，特别是高影响因子的期刊。国内的高温超导研究也因此遭到了沉重打击，不少研究人员转向其他领域。
但赵忠贤等人坚信“作科学研究是为了探索物质世界的奥秘”，顶着“没有好文章”的压力，继续在某些具有特殊磁或电荷性质的层状结构体系中探索可能存在的高温超导体。
十年磨一剑。在中科院物理所和中国科学技术大学的科学家们锲而不舍的坚持之下，终于找到了第二类高温超导家族。
与第一类高温超导家族相比，铁基超导体三维性更强，自身的物理问题很丰富，有可能填补一些临界温度高的超导体不能满足的方面，在临界磁场和临界温度较高的器件方面发挥巨大的作用。
比方说，铁基超导薄膜带材在4.2K温度和30特拉斯磁场下，超导临界电流密度可以达到每平方厘米10万安培，未来可以应用于MRI和储能等方面的超高强磁场领域。
“对铁基超导体的研究或许能够成为打开高温超导迷宫之门的钥匙。”《科学美国人》评价道。
但赵忠贤也强调，所有超导体包括金属合金超导体在应用的角度来讲都是互补而不是替代的。因此，铁基超导家族的发现只是一个开始，此次获奖也将是对人们思想解放的一次鼓励。
中国超导团队
中国在铁基超导上的成就绝非只是最初四个研究组的功劳。来自各个科研院所的科学家在铁基超导上的研究成果为中国打造了强大的超导团队。
“中国在超导基础研究方面有一支竞争力非常强的人才队伍，其浩繁的任务量不是靠几个人或几个课题组就能完成的。”王楠林认为，从合成材料到物理实验、第一性原理计算，再到微观理论，都有中国科学家在参与，特别是重要的实验技术都有中国人的身影，这种整体的进步更能让人看到中国在铁基超导体方面的成绩。
在他看来，中国在超导领域的竞争力与20多年前完全不同。
20世纪90年代，国内超导工作的深刻程度与国际先进水平差距很大，主要突破是在合成超导材料以及初步表征上，在提供电子结构和电子微观状态信息的一些当代尖端实验技术方面落后很远。
而现在，中国在这些方面已经拥有一批受到良好训练的超导研究工作者，在铁基超导的电子结构、物性研究和机理研究方面均取得了国际一流的研究成果。
“如果现在铁基超导家族出现一个有意思的系统，可以看到引领性的工作主要是由中国的科研人员在做。”他说。
当已经发现的1111、122铁基超导体系不断产出优秀论文的时候，物理所研究员靳常青坚持认为“别人嚼过的馍没味道”，要做出自己的新体系。
通过不懈的尝试和探索，他终于找到了第三种全新的111体系LiFeAs超导体，引起了强烈的国际反响。LiFeAs的自旋激发行为和其他体系有着明显的不同，这对进一步探索高温超导的内在机制和提高超导转变温度都有重要的意义。
浙江大学物理系教授许祝安和曹光旱领导的团队在1111结构材料中采用+4价Th部分替代稀土离子，在Gd1-xThxFeAsO体系也获得大致相同的最高超导转变温度；该小组还是国际上最先利用Co、Ni进行FeAs层内的元素替代并发现也可以诱导超导电性的研究组之一。
这是首次在准二维层状的超导体中发现了超导态的各向同性，揭示了铁基超导材料有更好的应用前景。
2010年，物理所陈小龙课题组发现了钾铁硒超导体系，并将临界温度升高到30K以上，相距其他超导体不远。钾铁硒在物理性质和电子结构上与铁砷超导体存在较大差别，对之前研究铁基超导所形成的物理基本看法又起到了第二次推动作用。
在材料方面，清华大学物理系教授薛其坤、陈曦及物理所研究员马旭村等在新材料制备技术和测量技术的帮助下，确认了铁硒超导体具有更大的能隙和超导转变温度，为揭开铁硒等铁基超导体的超导机制之谜打下坚实基础。
此次研究中，中国科学家借用名为“分子束外延”这一半导体领域的制备技术，制造出了超高质量的铁硒超导单晶薄膜。这种新技术保证科学家可以精确控制薄膜中的每一种化学成分，精确度达到原子水平。
厚积薄发，成就井喷之势。中国超导团队在铁基超导上的成就已经吸引了全世界的瞩目。
正如《科学》杂志在一篇题为《新超导体将中国物理学家推到最前沿》的文章中所说：“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。”
《中国科学报》 (2014-01-16 第1版 要闻)