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铁基超导材料制备研究进展
摘要:首先回顾了发现铁基超导体的历史,然后从材料学的角度,根据晶体结构的不同,系统地介绍和总结了目前发现的所有铁基超导材料。同时简要介绍了近期新铁基超导材料探索方面的进展以及单晶生长方面的工作。最后根据铁基超导体表现出来的奇特物理性质展望了铁基超导体的物理研究和应用前景。
关键词:铁基超导体;晶格结构;高温超导电性;晶体生长
前言
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[1]。
铁基超导体是指化合物中含有铁，在低温时具有超导现象，且铁扮演形成超导的主体的材料。2006年日本东京工业大学HideoHosono教授的团队发现第一个以铁为超导主体的化合物LaFeOP[2]，打破以往普遍认定铁元素不利形成超导迷思。根据BCS理论，产生超导性的必要条件是材料中的电子必须配对，这样配对的电子称为库柏对。库柏对中的两个电子自旋相反，所以总自旋为零，因而科学家认为超导性与铁磁性可能无法共存，材料中如果加入磁性元素（如铁、镍）会大大降低超导性。铁基超导体虽然含有铁元素且是产生超导的主体，但是铁和其他元素（如砷、硒）形成铁基平面后，已不再具有铁磁性。2008年二月初，HideoHosono教授的团队再度发表铁基层状材料La[O1-xFx]FeAs（x=0。05–0。12）在绝对温度26K时存在超导性[3]（图1），从此研究铁基超导体便在世界上形成一股热潮。引起许多科学家的兴趣的重要原因之一在于铁基超导体的结构与高温超导的铜氧平面类似，超导性发生在铁基平面上，属于二维的超导材料。因此尽管铁基超导体的临界温度只有数十K，研究铁基超导体可能有助于了解高温超导的机制。

虽然早在1986年，科学家发现了第一种高温超导材料——镧钡铜氧化物。自那以后，然而直至今日，对于铜基超导材料的高温超导机制，物理学界仍未形成一致看法，这也使得高温超导成为当今凝聚态物理学中最大的谜团之一。因此很多科学家都希望在铜基超导材料以外再找到新的高温超导材料，从而能够使高温超导机制更加明朗。
就在2008年2月，日本科学家首先报告说，氟掺杂镧氧铁砷化合物在临界温度26开尔文（零下247。15℃）时，即具有超导特性。3月25日，中国科技大学陈仙辉领导的科研小组又报告，氟掺杂钐氧铁砷化合物在临界温度43开尔文（零下230。15℃）时也变成超导体[4]。
3月28日，中国科学院物理研究所赵忠贤领导的科研小组报告，氟掺杂镨氧铁砷化合物的高温超导临界温度可达52开尔文（零下221。15℃）。4月13日该科研小组又有新发现：氟掺杂钐氧铁砷化合物假如在压力环境下产生作用，其超导临界温度可进一步提升至55开尔文（零下218。15℃）。此外，中科院物理所闻海虎领导的科研小组还报告，锶掺杂镧氧铁砷化合物的超导临界温度为25开尔文（零下248。15℃）。
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℃）的铜基材料超导现象。每一种铜基超导材料都是由层状的“铜－氧”面组成，其中的电子是如何成对的，仍是未解难题。
中日科学家新发现的这一系列铁基超导材料都具有相同的晶体结构，它们在有些方面与铜基超导材料惊人地相似。但是计算表明，这些铁基超导材料的晶格振动提供的电子对结合力量，不足以使材料超导临界温度达到如此高的水平。
因此，摆在物理学家面前的一个新问题是，新老两类材料的高温超导机制是否一样？诺贝尔奖获得者、美国普林斯顿大学理论物理学家菲利普·安德森说，假如不一样，那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。闻海虎认为，新的铁基超导材料有可能会为探究高温超导机制提供一个更清晰的体系，在此基础上，铜基超导材料的高温超导机制“可能会一下子变清晰”。
但是，也有科学家持有异议。美国斯坦福大学科学家史蒂夫·基沃尔森就认为，两类材料都是成面结构，都是从导电性能很差的材料转化而来，而且都表现出一种名为“反铁磁性”的磁特性。他说：“两者具有足够的相似性，因此可以假设，它们是本质相同的高温超导材料。”
不过，科学家们都认同一点，那就是新的铁基超导材料将激发物理学界新一轮的高温超导研究热。而下一步，科学家们将着眼于合成由单晶体构成的高