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中国铁基超导世界领先 或将翻天覆地改变世界(3)

北极星智能电网在线  来源:中国科学网    2014/1/23 10:37:55  我要投稿  

高温超导体的发现在当时沉闷的超导研究领域响起一阵春雷,人们对超导未来的发展满怀期待。然而现实总是残酷的,似乎触手可及的室温超导之梦停滞在164K这个世界纪录上,再也难以往上挪动半步。人们试图在液氮温区大规模推广高温超导强电应用技术时,发现它实际上“中看不中用”。本质为陶瓷材料的铜氧化物在力学性能上显得脆弱不堪、缺乏柔韧性和延展性,在物理上其临界电流密度太小,容易在承载大电流时失去超导电性而迅速发热。科学家们经过20余年的工艺努力,铜氧化物超导线圈虽然已开始步入市场,但绝大部分超导强电应用还停留在常规金属合金超导体上。不过铜基超导的弱电应用目前发展迅速,利用其制备成的超导量子干涉仪是目前世界上最灵敏的磁探测技术,而用铜氧化物超导薄膜制备的超导微波器件正在走向商业化和市场化,未来世界还可能出现以超导比特为单元的量子计算机——一种基于量子力学原理的高速计算机。由于铜基超导体在非常规超导体中最为特殊,因此也具有非常重要的基础研究价值,高温超导电性的微观机理,成为凝聚态物理学皇冠上的明珠之一。挑战远远比想象中的困难,人们发现高温超导体里很多新奇物理现象可能超出了目前物理学理论体系所能理解的范畴,其中最为麻烦的就是,这类材料中电子之间存在很强的相互关联效应,成为强关联体系。经过近30年的奋斗,人们对铜基超导体取得共识的研究结论寥寥无几,更多的是充满争议和困惑。理论上来指导寻找更高临界温度超导体,近乎痴人说梦,而实验物理学家只能凭经验和感觉来大海捞针。

2008年3月1日-5日,活跃在超导研究最前沿的一群中国科学家齐聚在中国科学院物理研究所,这里正在召开“高温超导机制研究态势评估研讨会”,探讨迷惘的高温超导研究未来之路,试图甄别铜基高温超导研究的突破点。此时,同一栋楼里的超导实验室和极端条件实验室里已悄然走在了超导研究变革的前沿。2008年2月23日,日本西野秀雄研究小组报道了在氟掺杂的镧-铁-砷-氧体系中存在26K的超导电性。中国科学家在得知消息的第一时间里合成了该类材料并开展了物性研究,其中中科院物理所和中国科大的研究人员采用稀土替代方法获得了一系列高质量的样品,惊喜地发现其临界温度突破了40K,优化合成方式之后可以获得55K的高临界温度。新一代高温超导家族——铁基高温超导体就此诞生,这一次从新超导体发现到临界温度突破麦克米兰极限仅仅用了不到三个月的时间,新的超导记录几乎以天为单位在不断更新。在随后几年里,新的铁砷化物和铁硒化物等铁基超导体系不断被发现,典型母体如镧-铁-砷-氧、钡-铁-砷、锂-铁-砷、铁-硒等,这些材料几乎在所有的原子位置都可以进行不同的掺杂而获得超导电性。铁基超导家族成员数目粗略估计有3000多种(许多还尚待发现),可谓是目前发现的最庞大超导家族。铁基高温超导体的发现无疑为当时几近低迷的高温超导研究注入了一股前所未有的“强心剂”,已逾百年的超导研究从此焕发了新一轮的青春活力。

作为继铜基超导体之后的第二大高温超导家族,铁基超导体具有更加丰富的物理性质和更有潜力的应用价值。它和铜基超导体存在“形似而神不似”关系,晶体结构、磁性结构和电子态相图均非常类似;但是它从电子结构角度又属于类似二硼化镁那样的多带超导体;其母体更具有金属性,和具有绝缘性的铜氧化物母体截然不同(铜氧化物仅在掺杂后才出现金属性);目前已经确认电子配对概念仍然适用,在配对媒介上可能和铜基超导体类似,但配对方式上却更接近于传统金属超导体;总体来说,铁基超导体更像是介于铜基超导体和传统金属超导体之间的一个桥梁。通过多年来在铜基超导研究中的经验和技术积累,铁基超导研究的进度已经大大加速,目前六年来的研究成果几乎可以和铜基超导近30年以来的研究成果相匹敌,在某些方面甚至超越了之前高温超导研究的认识。有了这道桥梁,高温超导研究之路已经不再像是空中楼阁,而是“有径可循”了,高温超导的微观机理的神秘面纱正在缓缓揭开。在应用方面,铁基超导体由于其金属性,更加容易被加工成线材和带材,而其可承载的上临界磁场/临界电流和铜基超导体相当,甚至有可能更优越。当然,制备铁基超导材料大部分情况下需要砷化物和碱金属或碱土金属,具有较强的毒性同时又对空气异常敏感,这对材料制备工艺和使用安全方面提出了更高的要求。在超导的弱电应用方面,铁基超导还处在刚刚起步阶段,相对已经趋于成熟的铜基超导弱电应用还有很大差距。从材料角度来说,铁基超导体更具有灵活多变性,这让高温超导的研究空间大大得到了拓展,许多实验现象也可以在不同体系进行比照研究,从而得出更加普适的结论。如前所述,几乎在铁基母体材料任何一个原子位置进行不同价位甚至同价位的元素掺杂都可以实现超导电性,不同体系材料超导电性随着外界压力演变也有所不同。更有趣的是,日本科学家还发现用各种酒泡过的母体材料也可以超导,真是“醉翁之意不在酒,在乎超导之间也”!铁基超导体的发现极大地鼓舞了超导材料探索者的信心,正如发现二硼化镁的日本科学家豪言:“我相信世界上所有材料都有可能成为超导体,只要引入足够多载流子或足够强的压力或足够低的温度等外界条件,就有希望实现超导!”

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