40K以上铁基高温超导体的发现及若干基本物理性质研究

40K以上铁基高温超导体的发现及若干基本物理性质研究

一、背景和依据

　　超导电性是荷兰科学家Onnes在1911年发现的，它是指某些材料在其临界温度以下表现出零电阻和完全抗磁性的现象，相应的材料称为超导体。如果超导体临界温度高于传统理论认为的“麦克米兰极限”（40K），则称为高温超导体。

　　1986年，欧洲科学家Bednorz和Muller发现了铜氧化物高温超导体，并因此获得1987年诺贝尔物理学奖。值得一提的是，物理所赵忠贤等人在铜氧化物超导体的早期研究中做出了重大贡献，独立发现了液氮温区铜氧化物超导体钇钡铜氧，实现了“将临界温度提升至液氮温区”这一多年以来的梦想，并因此荣获1989年国家自然科学集体一等奖、第三世界科学院物理奖等奖项。

　　从那以后，高温超导就一直是物理学研究中最重要和困难的问题之一。寻找新的高温超导体系，以推动解决高温超导机理问题、寻找更适合应用的超导体，成为了科学界追逐的目标。

　　二、准备工作及经验（在制度、管理、人才等上的创新及投入）

　　在赵忠贤等人1986-1987年巨大成功的鼓舞下，一批年轻人走上了超导研究的道路，中国科学院物理研究所也建立起了一支超导研究队伍。但由于只有铜氧化物一类高温超导体，能给出的信息极其有限，研究工作举步维艰。自上世纪90年代中期以来，全世界的高温超导研究陷入了低谷，相关工作很难发表论文（特别是高影响因子的论文）。

　　这对当时几乎以论文为唯一科研评价标准的我国产生了明显的影响，许多超导研究者纷纷转入其他研究方向。物理所领导班子研究认为，评价一个科研人员，应该看他工作的实际科学意义和本人以后的发展潜力，而不是数论文数量、算影响因子。高温超导具有极高的科学重要性和广泛的应用前景，探索新型高温超导材料，开辟更多的高温超导研究蹊径，才是应对瓶颈期的正确态度。在这样的指导思想下，物理所顶着“没有好文章”的压力坚持高温超导研究，为将来的科学突破做好了准备。

　　在这期间，物理所对新的高温超导体系进行了大量尝试和探索，逐渐形成了“存在多种合作现象（如自旋序、电荷序）的层状四方体系中可能存在高温超导”的观点，并研究了ReOCuSe体系（Re是稀土元素）。

　　2008年，日本化学家Hosono宣布在掺F的LaOFeAs中发现了26K的超导电性，与物理所超导团队产生了共鸣。赵忠贤等人发现，LaOFeAs就是典型的“存在多种合作现象的层状四方体系”，与自己研究过的ReOCuSe结构相同，只是当年受到“铁是磁性离子，不利于超导”的传统观念影响，没有尝试把CuSe换成FeAs。因此在随后召开的超导学术会议上，物理所团队和前来参会的中科大陈仙辉教授意识到LaOFeAs中可能存在高温超导电性，决定全力以赴开展研究。

　　三、突出成果

　　2013年，“40K以上铁基高温超导体的发现及若干基本物理性质研究”荣获此前连续空缺三年的国家自然科学一等奖。完成人为赵忠贤（物理所）、陈仙辉（中科大）、王楠林（物理所）、闻海虎（物理所）、方忠（物理所）。主要科学发现点包括以下三个方面。

　　1.首次突破麦克米兰极限温度，确定铁基超导体为新一类高温超导体。

　　中科大陈先辉研究组通过Sm取代La，发现了常压下高于40K的超导电性，突破了麦克米兰极限，从而实现了在常压下铁基超导体的高温超导电性。稀土磁性离子Sm 取代非磁性离子La导致超导临界温度的大幅提高，是传统BCS理论无法解释的，表明它们是非常规高温超导体。

　　几乎与此同时，物理所王楠林、陈根富等人用稀土离子Ce替代La，同样发现临界温度超过40K。这是早期完全独立用稀土磁性离子替代La使得超导临界温度较大幅度提高的又一项工作。并且从输运和红外光谱测量观察到该体系存在超导与反铁磁自旋密度波有序的竞争，绘制了该体系完整的相图。该项研究指出与反铁磁自旋密度波不稳定性邻近是该材料存在高温超导电性的要素之一。此外该项工作还揭示Ce 4f电子在4K以下形成另外一套反铁磁有序结构，它们与超导的Fe 3d电子之间耦合很弱。

　　几天以后，物理所赵忠贤等观察到F掺杂LaOFeAs的临界温度随静压力增加而提高，判断出临界温度应具有较大提升空间。基于多年的积累，认为高压这一新的维度可以带来新的机会，并利用高温高压方法首次合成出掺F的PrOFeAs，临界温度达52K，这是第一个超导临界温度高于50K的铁基超导体。

　　2.合成系列铁基高温超导体并确认为第二个高温超导家族，创造并保持铁基超导体临界温度的最高纪录。

　　物理所赵忠贤、任治安等在利用高温高压合成方法获得PrFeAsO1-xFx之后，又很快发现了其他几个临界温度在50K以上的轻稀土元素替代1111结构超导体：52K的掺F NdOFeAs，55K的掺FSmOFeAs，54K的掺F GdOFeAs。其中，55K临界温度至今仍是铁基超导块材临界温度最高纪录。

　　随后，赵忠贤、任治安等根据F掺杂引进电子型载流子的思路，采用高温高压方法，发现稀土缺氧系列铁基超导体REFeAsO1-x（RE=La, Ce, Pr, Nd, Sm ,Gd, Tb, Ho,Y）。发现不同稀土元素体系的临界温度最佳值都发生在x=0.15附近，建立了临界温度与相应晶格常数之间的相图。针对NdFeAsO1-x体系，通过对临界温度与晶格常数、氧含量依赖关系的分析，给出了结构微小变化对超导电性的影响。这些结果和第一性原理计算给出的趋势一致，有助于对电子结构的了解并加深对超导电性起源的认识。

　　物理所闻海虎研究组在LaFeAsO中用Sr替代La, 成功合成出第一种由空穴掺杂型载流子为主的铁基超导材料La1-xSrxFeAsO，当x=0.13时，超导临界温度达到最大值约25K。此前通常认为，在LaFeAsO系统中实现超导的关键因素是电子型掺杂, 而空穴掺杂不能导致超导。La1-xSrxFeAsO超导体的合成拓宽了在该系统中探索新型超导材料的范围。

　　此外，物理所和中科大的研究团队还在新型铁基超导体的探索过程中，不断发现一些新型结构材料和超导体。如合成临界温度为38K的Sr1-xKxFe2As2超导体，揭示其母体的SDW相变温度为200K；合成临界温度为20K的Ca1-xNaxFe2As2超导体；发现了一种新型铁基母体材料（Sr3Sc2O5）Fe2As2及相关结构的超导材料。这些新型铁基材料和超导体的发现扩充了铁基超导体的结构类型。

　　3.基于若干基本物理性质的研究，确认了铁基超导体的非常规性。

　　物理所方忠、王楠林、陈根富等对不同F含量的LaFeAsO1-xFx体系通过比热、磁电阻、红外光谱测量和第一性原理计算首次指认LaFeAsO母体具有自旋密度波态，指出超导和自旋密度波态相互竞争，预言了自旋密度波态的条纹状反铁磁结构，并通过国际合作证实了理论预言的磁结构。之后在CeFeAsO1-xFx体系也发现完全类似的超导与自旋密度波竞争关系，揭示这种竞争序是该类铁基超导体的普适行为。这方面工作为认识铁基超导体磁性与超导电性关系奠定了基础。

　　团队通过对SmFeAsO1-xFx和Ba1-xKxFe2As2体系的电子输运、磁化率、晶格结构和磁结构的系统表征，首次给出这两个体系完整的电子态相图，揭示超导与自旋密度波相互竞争，但在欠掺杂区域某一范围可以共存。这种共存现象被国际上众多知名研究组用不同实验手段重复和证实，为理解超导机理提供了重要的实验基础。

　　率先在国际上开展了铁基超导单晶生长研究。在常压环境下利用助溶剂方法生长出NdFeAs0.82F0.18 50－100微米尺度的单晶，利用输运方法在国际上率先测量了该超导体的上临界磁场，并确定其较小的各向异性和正常态输运性质。首次采用自助溶剂方法生长了大尺寸高质量的122母体和超导单晶样品，该生长方法之后被国际广泛采用。率先研究了122单晶材料本征的各向异性输运性质和磁性，发现在自旋密度波相变温度以上磁化率具有线性温度依赖关系，是铁基超导体的普遍特征。

　　首次利用红外光谱对122母体单晶样品在自旋密度波相变前后的电荷动力学进行研究，发现相变导致费米面打开两个不同能量尺度的能隙，载流子浓度减少，散射率下降；发现温度变化诱导的由低能到很高能量的电导率谱权重转移，揭示铁基超导母体具有显著的电子关联效应。

　　分别对SmFeAsO1-xFx和Ba1-xKxFe2As2两个体系氧位和铁位进行同位素置换，研究了其对临界温度和自旋密度波相变温度的影响。发现铁的同位素因子高达0.4，远大于氧的同位素效应，表明铁基超导体存在很强的电-声子和晶格-自旋相互作用。这些结果对超导机理的理解提供了重要线索。

　　至国家自然科学一等奖申报之前，关于铁基超导体的8篇代表性论文SCI共他引3801次，20篇主要论文共SCI他引5145次。相关成果在国际学术界引起强烈反响，被Science、Nature、Physics Today、Physics World 等国际知名学术刊物专门评述或作为亮点跟踪报道。如Science 发表了题为《新超导体将中国物理学家推到最前沿》的专题评述。著名理论物理学家，美国佛罗里达大学Peter Hirschfeld 教授说：“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个（凝聚态物理强国）行列”；美国斯坦福大学Steven Kivelson 教授说：“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。”