聚焦中科院物理所：鐵基超導領域的中國軍團

　　凌晨兩三點鐘，中國科學院物理研究所(以下簡稱物理所)研究員王楠林和同事陳根富、雒建林匆匆走出D樓的大門，各自回家休息。

　　三四個小時后，他們又回到實驗室繼續工作。

　　2008年3月，鐵基超導研究競爭全面鋪開，王楠林和他的同事經常要過著這樣的生活：在實驗室工作到凌晨，回家沖個澡，休息幾個小時甚至個把鐘頭，便又回到實驗室開始新一天的工作。

　　1911年,荷蘭物理學家卡麥林·昂尼斯發現超導之后，已經有10人因超導研究獲得諾貝爾獎。因此，對超導機理以及全新超導體的探索，是當今物理學界最重要的前沿問題之一，被譽為“20世紀最偉大的科學發現之一”。

　　如此重要的領域，中國科學家自然不能缺席。

　　自2008年以來，他們將目光逐步對準了鐵基高溫超導體。這種超導體以鐵為關鍵化學元素，與1986年歐洲科學家發現的銅氧化物高溫超導體相比，在工業上更加容易制造，同時還能夠承受更大的電流，具有更廣泛的應用。

　　物理所和中國科學技術大學(以下簡稱中科大)的中國科學家不僅首先使鐵基超導體突破了“麥克米蘭極限溫度”(40K，約零下233攝氏度)，創造了鐵基超導體臨界轉變溫度的世界紀錄，并且在鐵基超導的電子結構、物性和機理研究方面均達到國際一流水平，形成了強大的中國超導團隊。

　　“一個或許本不該讓我驚訝的事實就是，居然有如此多的高質量文章來自北京，他們確確實實已進入了這一(凝聚態物理強國的)行列。”著名理論物理學家、美國佛羅里達大學教授Peter Hirschfeld評價道。

　　超導中的璞玉

　　早在2006年，陳根富在德國馬克斯-普朗克學會做訪問學者時，就對當時報道的鑭氧鐵磷超導體很感興趣，并認為用砷取代磷也可能具有超導等非常規的物理性質。

　　2007年9月，陳根富一加入物理所王楠林研究組，就提出要做鑭氧鐵砷超導材料的制備研究，并計劃開展其他稀土替代物鈰氧鐵砷等材料的合成。

　　但稀土元素鑭、鈰等容易氧化，砷在空氣中又可能氧化生成砒霜。因為缺乏手套箱等基本設備，陳根富只得放棄鑭氧鐵砷材料的多晶制備，從難度更大的單晶生長入手。

　　為盡量避免稀土和砷粒被氧化，陳根富一邊戴著醫用膠皮手套和口罩防止砷中毒，一邊迅速取出玻璃管中封存的砷和稀土，稱量后立即將其封入鉭管，放入高溫爐中促使其進行單晶生長。

　　經過一段時間的摸索，閃著銀白色金屬光澤的片狀化合物單晶合成出來，后確認為鐵砷。盡管沒有生長出預期的鑭氧鐵砷單晶樣品，實驗結果也為后面的研究奠定了基礎。

　　2008年2月18日，日本東京工業大學細野秀雄研究組報道在四方層狀的鐵砷化合物：摻氟的LaOFeAs(鑭氧鐵砷化合物)中存在轉變溫度為26K(零下247.15攝氏度)的超導電性。雖然這個轉變溫度仍然低于40K，但卻立刻引起了物理所從事超導研究人員的注意。

　　他們敏銳地發現，由于鐵的3d軌道電子通常傾向形成磁性，因此在該種結構體系中出現26K超導非同尋常，極有可能具有非常規的超導電性。

　　“鑭氧鐵砷不是孤立的，26K的轉變溫度也大有提升空間，類似結構的鐵砷化合物中很可能存在系列高溫超導體。必須抓住機遇，全力以赴!”中科院院士趙忠賢和團隊成員得出一致結論。

　　東方超導強國

　　只有26K，遠低于40K的“麥克米蘭極限溫度”。當時的國際物理學界對鐵基超導體仍舉棋不定。

　　中國人的堅持徹底打消了外國人的疑慮。

　　“在過渡金屬化合物中，除了銅氧化物，鑭氧鐵砷的臨界溫度已經非常高了。特別是鐵容易形成鐵磁有序，居然能夠在這么高的溫度就實現超導，我們非常感興趣。”王楠林停下了手中的其他工作，召開組會，動員課題組全力以赴投入到鐵基超導體的研究當中。

　　由于之前試圖生長鐵砷化合物單晶時積累下不少經驗，陳根富很快就在剛調試好的手套箱上，以另外一種合成路徑制備出臨界溫度超過20K的鑭氧鐵砷多晶樣品，課題組其他成員迅速進行物性表征。

　　那段日子，陳根富和同事每天睡眠時間極少，不僅要自己探索新材料，還要為其他研究組提供高質量的超導樣品。

　　當時，很多國外研究組苦于沒有樣品，做不了實驗，紛紛向物理所請求樣品支援。美國普林斯頓大學的一位教授在E-mail中甚至提到請諾貝爾物理學獎得主P. W. Anderson給物理所所長王玉鵬寫信，希望拿到一些鐵基超導單晶樣品。

　　但王玉鵬建議：“有富余的應先滿足中國同行。”

　　隨后，正如《科學》雜志一篇題為《第二類高溫超導家族被發現》的報道中所說的：“接著，中國研究者(將超導研究)接管過來”。

　　不到一個星期的時間，中國科學技術大學陳仙輝研究組和王楠林研究組幾乎同時分別在 SmO1-xFxFeAs(鐵基砷化物)體系和CeFeAs(O,F)中觀測到了43K和41K的超導轉變溫度，突破了“麥克米蘭極限”，從而證明鐵基超導體是繼銅氧化物后的又一類非常規高溫超導體。

　　這一發現在國際上引起極大轟動，標志著經過20多年的不懈探索，人類發現了新一類的高溫超導體。

　　為進行更加系統和深入的研究，趙忠賢研究組利用高壓合成技術制備出一大批不同元素構成的鐵基超導材料并制作了相圖。這一成就被國際物理學界公認為鐵基高溫超導家族基本確立的標志。

　　在這一過程中，他們不僅率先使轉變溫度突破了50K，更創造了55K的鐵基超導體轉變溫度世界紀錄。

　　中國科學家爭分奪秒的研究引領了國際超導研究的熱潮，取得了舉世矚目的成就。美國斯坦福大學教授Steven Kivelson感嘆道：“讓人震驚的不僅是這些成果出自中國，重要的是它們并非出自美國。”

　　截至2013年1月4日，中國科學家在鐵基超導體研究上的8篇代表性論文SCI他引達到 3801次，20篇主要論文SCI他引達到5145次。2013年2月，中國科學院國家科學圖書館統計數據顯示，世界范圍內鐵基超導研究領域被引用數排名前20的論文中，9篇來自中國，其中7篇來自物理所。

　　《科學》《自然》《今日物理》《物理世界》等國際知名學術刊物紛紛以專門評述或作為亮點進行跟蹤報道。中國科學家的鐵基超導體工作研究也因此被評為《科學》雜志“2008年度十大科學突破”、美國物理學會“2008年度物理學重大事件”及歐洲物理學會“2008年度最佳”。

　　25年高溫超導夢

　　中國科學家此次能夠占領鐵基超導研究的制高點，絕非偶然。

　　2008年前，高溫超導家族中只有銅氧化物一枝獨秀。

　　1986年，兩名歐洲科學家發現了以銅為關鍵超導元素的銅氧化物超導體，轉變溫度超過了“麥克米蘭極限溫度”，引起科學界轟動。

　　第二年，趙忠賢等人也獨立發現了起始轉變溫度在100K以上的Y-Ba-Cu-O(釔鋇鋼氧)新型超導體。大大加速了全球高溫超導的研究進程，并榮獲1989年國家自然科學獎一等獎。同年，經當時的國家計委批準，物理所成立了國內第一個、也是迄今為止唯一一個超導國家重點實驗室。

　　然而熱潮之后，全球的高溫超導研究遇到了瓶頸。

　　當時熱門的銅氧化物高溫超導體屬于陶瓷性材料，制作工藝極其復雜，難以大規模應用。而且其中豐富物理內涵的高溫超導機理也沒有得到解決。20世紀90年代中后期，國際物理學界傾向認為銅氧化物超導體能給出的信息基本上挖掘殆盡。

　　與之相伴的是，在各種國際學術期刊發表高溫超導的論文越來越難，特別是高影響因子的期刊。國內的高溫超導研究也因此遭到了沉重打擊，不少研究人員轉向其他領域。

　　但趙忠賢等人堅信“作科學研究是為了探索物質世界的奧秘”，頂著“沒有好文章”的壓力，繼續在某些具有特殊磁或電荷性質的層狀結構體系中探索可能存在的高溫超導體。

　　十年磨一劍。在中科院物理所和中國科學技術大學的科學家們鍥而不舍的堅持之下，終于找到了第二類高溫超導家族。

　　與第一類高溫超導家族相比，鐵基超導體三維性更強，自身的物理問題很豐富，有可能填補一些臨界溫度高的超導體不能滿足的方面，在臨界磁場和臨界溫度較高的器件方面發揮巨大的作用。

　　比方說，鐵基超導薄膜帶材在4.2K溫度和30特拉斯磁場下，超導臨界電流密度可以達到每平方厘米10萬安培，未來可以應用于MRI和儲能等方面的超高強磁場領域。

　　“對鐵基超導體的研究或許能夠成為打開高溫超導迷宮之門的鑰匙。”《科學美國人》評價道。

　　但趙忠賢也強調，所有超導體包括金屬合金超導體在應用的角度來講都是互補而不是替代的。因此，鐵基超導家族的發現只是一個開始，此次獲獎也將是對人們思想解放的一次鼓勵。

　　中國超導團隊

　　中國在鐵基超導上的成就絕非只是最初四個研究組的功勞。來自各個科研院所的科學家在鐵基超導上的研究成果為中國打造了強大的超導團隊。

　　“中國在超導基礎研究方面有一支競爭力非常強的人才隊伍，其浩繁的任務量不是靠幾個人或幾個課題組就能完成的。”王楠林認為，從合成材料到物理實驗、第一性原理計算，再到微觀理論，都有中國科學家在參與，特別是重要的實驗技術都有中國人的身影，這種整體的進步更能讓人看到中國在鐵基超導體方面的成績。

　　在他看來，中國在超導領域的競爭力與20多年前完全不同。

　　20世紀90年代，國內超導工作的深刻程度與國際先進水平差距很大，主要突破是在合成超導材料以及初步表征上，在提供電子結構和電子微觀狀態信息的一些當代尖端實驗技術方面落后很遠。

　　而現在，中國在這些方面已經擁有一批受到良好訓練的超導研究工作者，在鐵基超導的電子結構、物性研究和機理研究方面均取得了國際一流的研究成果。

　　“如果現在鐵基超導家族出現一個有意思的系統，可以看到引領性的工作主要是由中國的科研人員在做。”他說。

　　當已經發現的1111、122鐵基超導體系不斷產出優秀論文的時候，物理所研究員靳常青堅持認為“別人嚼過的饃沒味道”，要做出自己的新體系。

　　通過不懈的嘗試和探索，他終于找到了第三種全新的111體系LiFeAs超導體，引起了強烈的國際反響。LiFeAs的自旋激發行為和其他體系有著明顯的不同，這對進一步探索高溫超導的內在機制和提高超導轉變溫度都有重要的意義。

　　浙江大學物理系教授許祝安和曹光旱領導的團隊在1111結構材料中采用+4價Th部分替代稀土離子，在Gd1-xThxFeAsO體系也獲得大致相同的最高超導轉變溫度;該小組還是國際上最先利用Co、Ni進行FeAs層內的元素替代并發現也可以誘導超導電性的研究組之一。

　　這是首次在準二維層狀的超導體中發現了超導態的各向同性，揭示了鐵基超導材料有更好的應用前景。

　　2010年，物理所陳小龍課題組發現了鉀鐵硒超導體系，并將臨界溫度升高到30K以上，相距其他超導體不遠。鉀鐵硒在物理性質和電子結構上與鐵砷超導體存在較大差別，對之前研究鐵基超導所形成的物理基本看法又起到了第二次推動作用。

　　在材料方面，清華大學物理系教授薛其坤、陳曦及物理所研究員馬旭村等在新材料制備技術和測量技術的幫助下，確認了鐵硒超導體具有更大的能隙和超導轉變溫度，為揭開鐵硒等鐵基超導體的超導機制之謎打下堅實基礎。

　　此次研究中，中國科學家借用名為“分子束外延”這一半導體領域的制備技術，制造出了超高質量的鐵硒超導單晶薄膜。這種新技術保證科學家可以精確控制薄膜中的每一種化學成分，精確度達到原子水平。

　　厚積薄發，成就井噴之勢。中國超導團隊在鐵基超導上的成就已經吸引了全世界的矚目。

　　正如《科學》雜志在一篇題為《新超導體將中國物理學家推到最前沿》的文章中所說：“如洪流般不斷涌現的研究結果標志著在凝聚態物理領域，中國已經成為一個強國。”