铁基高温超导体研究进展

物理四38卷(2009年)9期 h t t p

:∕∕w w w.w u l i .a c .c n 铁基超导体专题

铁基高温超导体研究进展*

陈仙辉?

(中国科学技术大学物理系 合肥微尺度物质科学国家实验室 合肥 230026

)摘 要 最近,由于在铁基L n (O ,F )F e A s 化合物及其相关化合物中发现具有高于40K 的超导电性,层状的铁基化合物引起了凝聚态物理学界很大的兴趣和关注.在随后的研究中发现,在该类材料中最高超导临界温度可达到55K.这些重要的发现使得人们又重新对高温超导体的探索产生了极大的兴趣,并且为研究高温超导的机理提供了新的一类材料.文章主要介绍了作者所在组在新型铁基超导体方面的最新研究进展,包括:(1)铁基超导材料探索研究;(2)

铁基超导体的单晶制备及物性研究;(3)铁基超导体的电子相图及自旋密度波(S DW )和超导共存研究;(4)同位素交换对超导转变和S DW 转变的效应.最后,在已完成的工作基础上提出了一些今后的研究方向和发展前景.关键词 铁基超导体,自旋密度波,相图,结构相变

N e w i r o n -p n i c t i d e s u p

e r c o n d u c t o r s C H E N X i a n -

H u i ?

(H e f e iN a t i o n a lL a b o r a t o r y f o rP h y s i c a l S c i e n c e a tM i c r o s c a l e a n dD e p a r t m e n t o f P h y s i c s ,U n i v e r s i t y o f S

c i e n c e a n

d T

e c h n o l o g y o

f C h i n a ,H e f

e i 230026,C h i n a )A b s t r a c t T h ed i s c o v e r y o

f s u p e r c o n d u c t i v i t y w i t hac r i t i c a l t e m p e r a t u r e (T c )h i g

h e r t h a n40Ki nt h e i r o na r s e n i d eL n (O ,F )F e A s h a s d r a w nm u c h i n t e r e s t i n c o n d e n s e dm a t t e r p h y s i c s .L a t e r d i s c o v e r i e s ,i n c l u -d i n g t h e e n h a n c e m e n t o f T c u p t o 55K ,h a s e v o k e d i n t e n s e e x c i t e m e n t i n t h e p i l g r i m a g e t o w a r d s t h e u n d e r -s t a n d i n g o f t h em e c h a n i s mo f h i g hT c s u p e r c o n d u c t i v i t y ,w h i l e p r o v i d i n g a b r a n d n e wf a m i l y o fm a t e r i a l s t o a d d r e s s t h i s i s s u e .I n t h i s r e v i e ww e p r e s e n t o u r g r o u p 'sm a j o r r e s e a r c h o n n e w i r o n b a s e d s u p e r c o n d u c t o r s ,i n c l u d i n g :(1)o u r i n i t i a l i n v e s t i g a t i o n s ;(2)t h e s y n t h e s i s o f i r o n a r s e n i d e s i n g l e c r y s t a l s a n d t h e c h a r a c t e r -i z a t i o no f i t s p h y s i c a l p r o p e r t i e s ;(3)t h e e l e c t r o n i c p h a s e d i a g r a mo f i r o n b a s e d s u p e r c o n d u c t o r s a n d t h e c o -e x i s t e n c eb e t w e e n s p i n d e n s i t y w a v e s a n d s u p e r c o n d u c t i v i t y ;(4)t h e e f f e c t o f i s o t o p e e x c h a n g e o n s p i n d e n -s i t y w a v e s a n d s u p e r c o n d u c t i n g t r a n s i t i o n s .T o f i n i s h ,w e p r o p

o s e p o s s i b l e f u t u r e d i r e c t i o n s i n t h i s f i e l d .K e y w o r d s i r o n -

p n i c t i d e s u p e r c o n d u c t o r ,s p i nd e n s i t y w a v e (S DW ),p h a s e d i a g r a m ,s t r u c t u r a l t r a n s i t i o n * 国家自然科学基金二

国家重点基础研究发展计划(批准号:2006C B 601001,2006C B 922005

)和中国科学院资助项目2009-07-15收到

? E m a i l :c h e n x h @u s t c .e d u .c n

1 引言

1986年,I B M 研究实验室的物理学家B e d n o r z

(柏诺兹)和M ül l e r (缪勒)发现了临界温度为35K

(零下238.15℃)的镧钡铜氧超导体[1].

这一突破性发现导致了一系列铜氧化物高温超导体的发现.自那以后,铜基高温超导电性及其机理成为凝聚态物理的研究热点.然而直至今日,铜基高温超导机制仍未解决,这使得高温超导成为当今凝聚态物理学中最大的谜团之一.因此科学家们都希望在铜基超导材料以外再找到新的高温超导材料,能够从不同的

角度去研究高温超导机制,最终解决高温超导的机制问题.

最近,由于在铁基L a O 1-x F x F

e A s (x =0.05 0.12)化合物中发现有26K 的超导电性[2]

,

层状的Z r C u S i A s 型结构的L n O MP n (L n =L a ,P r ,C e

,S m ;M =F e ,C o ,N i ,R u 和P n =P 和A s

)化合物引起了科学家很大的兴趣和关注[3,4]

.2008年3月,

四

906四

h t t p

:∕∕w w w.w u l i .a c .c n 物理四38卷(2009年)9期该类材料的超导临界温度在S m O 1-x F x F

e A s 化合物中被首次提高到43K [5],

并在随后的研究中发现,该类材料中的最高超导临界温度可达到54K [6].

中国科学院物理研究所王楠林小组二赵忠贤小组二闻海虎小组及其他小组作出了重要的发现(见同期的文章).这些发现使得人们又重新对高温超导体的探索产生了极大的兴趣,并且为研究高温超导的机理提供了一类新的材料.近期初步研究表明,这类新超导体属于非传统超导体,电声相互作用并不能导致如

此高的临界转变温度[7]

,强的铁磁或反铁磁涨落被认为是可能的原因[8 10

],然而其机理还不是很明

朗,其丰富的物理性质有待人们展开进一步深入的研究.

这里将主要介绍我们组在铁基超导体方面的最

新研究进展,文章分为三个部分:第一部分介绍新型高温超导材料探索及物性研究;第二部分介绍铁基超导体的单晶制备以及物性研究;第三部分介绍铁基超导体的电子相图以及超导和自旋密度波共存的研究进展.最后,在已完成的工作基础上提出了一些今后的研究方向和发展前景.

2 研究工作进展情况

2.1 铁基超导材料探索及表征

在铁基超导体中发现具有26K 的超导电性之

后[2],探索这类化合物中更高的超导转变温度成为

一个非常迫切的课题.本小节主要介绍我们组在铁基新材料的探索及其基本物理性质表征方面的主要研究进展:

2.1.1 1111-

型铁基化合物中高温超导电性的发现2008年2月,

日本东京工业大学细野秀雄教授领导的研究小组报道了铁基材料L a O 1-x F x F e A s 超导转变温度高达26K [2]

.

这一发现立刻引发了人们对这一超导体系的强烈关注.2008年3月25日,

我们组成功地合成了氟掺杂钐氧铁砷化合物

(S m F e A s (O ,F )

),电输运及磁化率结果明确地表明该样品具有43K 的体超导电性[5]

.这是继高温超导体铜氧化合物之后第一个打破迈克米兰极限的非铜基化合物,同时第一个证实了这类铁基超导体是除铜氧化合物之外的另一类高温超导体.这一重要工作很快在N a t u r e 杂志上发表,并被N a t u r e 审

稿人评价为开辟了铁基高温超导体的新领域.图1为S m F e A s (O ,F )

的结构示意图.2.1.2 122-

型铁基超导体的空穴型超导电性图1 S m F e A s (O ,F )的结构示意图,它具有Z r C u S i A s 的四方结构,图中的黑色虚线代表一个原胞(图引自文献[5

])在Z r C u S i A s (1111)

型结构的铁基超导体被发现后不久,T h C r 2S i 2型铁基超导体也被发现具有超

导电性,其最高超导温度可达到38K [11]

.我们组在

国际上较早地开展了对122结构铁基超导体的研

究,成功地合成了T h C r 2S i 2型结构的B a 1-x M x F e 2

A s 2(

M =L a 和K )样品,并系统地研究了其热电势(T E P )和霍尔系数(R H )[12

].B a F e 2A s 2母体的电阻率在140K 附近存在一个异常,这与L n O F e A s

(1111)体系母体行为很类似.通过L a 部分替换B a ,可以使这个电阻异常行为向低温漂移,但是在低温并没有出现超导电性.B a F e 2A s 2和L a 掺杂B a F e 2

A s 2样品的霍尔系数(R H )及热电势(T E P )都为负值,这表明它们都是n 型载流子,而

B a 1-x K x F e 2A s 2样品的霍尔系数(R H )及热电势(T E P )为正值,这表明其是p 型载流子,这与电子型载流子的L n O 1-x F x F e A s 体系是不一样的.结果明确表明,p 型载流子掺杂在122结构中也同样可以实现超导电性.2.1.3 1111结构中氧缺陷导致的超导电性

中国科学院物理研究所赵忠贤组在L n O F e A s

(L n =L a ,S m ,P r ,N d 等)

体系中,通过高压合成的方法制备出氧空位的超导样品[13 15]

.该研究表明,通过引入氧空位也可以达到向F e A s 面注入载流子的作用,从而产生超导电性.由于氧空位要在高压下才能形成,因而通常压力下很难有氧空位形成.我们组试图在非高压条件下向体系引入氧空位,合成了

L a 0.85S r 0.15F e A s O 1-δ样品,

并系统地研究了体系中氧缺陷带来的影响[16]

,发现用S r 部分地取代L a 可

以引入部分空穴载流子,S DW 序被压制.

样品的超导电性可通过将样品在真空中退火引入氧缺陷来实

四

016四铁基超导体专题

现.随着氧缺陷的增加,超导转变温度T c升高,其最大值达26K,类似的现象也出现在L a F e A s O1-x F x 体系中.未退火的不超导样品的热电势为正,而退火后的氧缺陷超导样品的热电势为负;但所有样品的霍尔系数(R H)始终为负值.这表明在L a0.85S r0.15F e A s O1-δ样品中其主要载流子为电子.实验表明,通过掺杂少量的具有较大离子半径的S r 原子,可在L a F e A s O体系中在真空退火的条件下产生氧空位,并出现超导电性.

2.1.4 R F F e A s结构中稀土金属L n掺杂的超导电性R F F e A s(R=C a,S r,B a,E u)与最先发现的Z r-C u S i A s(1111)型L n O F e A s的结构一样.同时R F F e A s与L n O F e A s母体一样,在电阻率和磁化率上都表现出一个自旋密度波(S DW)有序和结构相变导致的反常.我们合成了R1-x S m x F F e A s(R= S r,B a和E u)三个体系不同掺杂组分的样品,发现通过稀土金属S m3+在R位掺杂引入载流子能够压制S DW有序导致的电阻率反常,并在样品中引入了超导电性.名义组分为R0.5S m0.5F F e A s(R=S r, B a和E u)的样品超导转变温度分别为56K,54K和51K,这说明铁砷氟化物和与其结构相同的L n (O F)F e A s具有相同的超导转变温度[17,18]. 2.1.5 S r4S c2O6M2A s2(M=F e和C o)(42622)母

体的合成

在铜氧化合物高温超导体中,增大铜氧面之间的距离能提高其超导转变温度,因此探索合成多层铁砷,寻找更高的超导转变温度是可能的.日本科学家合成了多层的S r4S c2O6F e2P2(42622)铁磷化合物[19],并发现有18K的超导转变温度,这远远高于L a(O F)F e P(T c=5K)[20].我们成功合成了S r4S c2 O6M2A s2(M=F e和C o)(42622)多层结构[21].S r4 S c2O6F e2A s2热电势(T E P)和霍尔系数(R H)表现出类似于L n O F e A s(1111)和B a F e2A s2(122)复杂的行为,可能是一类新的超导母体.

2.1.6 A n d r e e v反射

在铁基高温超导体S m F e A s(O,F)被发现之后,对于其超导能隙的研究就成为了一个非常迫切的课题.我们小组和美国霍普金斯大学的C.L.

C h i e n小组合作,通过A n d r e e v反射谱测量了S m F e A s O0.85F0.15样品(T c=43K)的能隙结构[22],其能隙值2Δ=13.34±0.3m e V,2Δ/K b T c=3.68,这与B C S的预测值3.53很相近.该能隙随温度增加而减小,并且在温度为T c时消失,其行为与B C S 的预测十分吻合,但是与铜氧化物高温超导体中的赝能隙现象有着显著的不同.研究结果明确地显示出一个非节点能隙序参量,其在费米面的不同区域几乎是各向同性的,这与铜氧化物超导体的d波对称性不一致.

2.1.7 1111结构铁基超导体的比热研究

我们组与复旦大学的李世燕小组合作研究了系列铁基高温超导体S m O1-x F x F e A s(0≤x≤0.2)的比热[23].在S m O F e A s母体中,在130K附近观察到一个比热跳跃.它是由结构或自旋密度波转变导致的,这一点也反映在电阻率的异常行为上.但是这种比热跳跃在F低掺杂(x=0.05)的样品中并没有发现,不过电阻率的异常行为仍然存在.而在x=0.15和0.20的样品中,比热在T c附近呈现出不规则性,这种不规则性在L a O1-x F x F e A s中并没有发现.在母体化合物S m O F e A s中,比热在4.6K处出现一个峰值;而在x=0.15的样品中,峰值位置下移至3.7K.该峰值被认为是来自于体系中S m3+的反铁磁序,这和电子型铜氧化合物高温超导很相似.我们组还与日内瓦大学的R.F l u k i g e r科研组合作,研究了在20T磁场下的S m F e A s O0.85F0.15比热[24].同时给出了多晶S m F e A s O0.85F0.15样品(T c=46K)的B-T相图.B C2的温度依赖关系可从比热曲线中得出;同时根据W e r t h a m e r-H e l f a n d-H o h e n b e r g 公式算出相应的B C2(T=0K)为150T.基于磁化率随磁场H变化的关系(0 9T),估计出临界电流J c 与磁场强度H的依赖关系.同时在M s H图中观测到了一个峰,这表明存在一个2D-3D交叉的磁通涡流,与高温超导体铜氧化合物中的行为相类似.

2.1.8 1111结构的中子散射研究

我们与美国L o s A l a m o s国家实验室的B a o W e i小组合作,利用中子散射研究了1111结构的多晶样品L a F e A s(O,F)和N d F e A s(O,F).在超导样品L a F e A s(O,F)(T c=26K)中,通过中子散射实验发现,该体系在正常态没有S DW有序,说明在这个体系中超导与S DW具有相互竞争的关系[25].进一步的非弹性中子散射结果发现,在自旋波激发中,有一个显著的共振峰,这个结果并不支持自旋波响应的d波配对的机制,但却能很好地与扩展的s波配对机制相吻合.对该体系的声子谱进行了研究,结果表明,传统的电声配对机制并不能给出该体系如此高的超导转变温度,这与理论计算的结果相一致.在N d F e A s(O,F)体系中,研究了母体和超导样品的中子散射[26].在2K以下,观察到一个反铁磁转变,通过R i e t v e l d精修,发现F e离子和N d离子在

四116四

铁基超导体专题

物理四38卷(2009年)9期 h t t p:∕∕w w w.w u l i.a c.c n

h t t p

:∕∕w w w.w u l i .a c .c n 物理四38卷(2009年)9期2K 以下形成了交错的反铁磁序,其中F e 的有序磁

矩为0.9玻尔磁子.在超导样品中,结构相变和磁相变都没有观察到.

2.1.9 122结构的中子散射研究

我们与美国L o sA l a m o s 国家实验室的B a o W e i 小组合作,研究了122结构的B a F e 2A s 2的磁相变和

结构相变[27

].结果表明,在122体系中,

同样在电阻率反常的温度也发生了S D W 转变和结构相变,

并且不同于1111结构[2

8]

,两个相变是在同时发生的,两者属于一级相变,并且能观察到明显的热滞现象.我们还精确地确定了体系的磁结构,发现它与1111结构的磁结构是相同的,也同样具有条纹状反铁磁磁结构,其磁矩为0.87玻尔磁子.这个结果对于理解铁基超导体普适的机理提供了非常好的基础.

2.1.10 同位素效应

在S m F e A s O 1-x F x 和B a 1-x KF e 2A s 2体系中,通过氧和铁同位素交换,研究超导临界温度(T c )和自旋密度波转变温度(T S D W )的变化,发现T c 的氧同位素效应非常小,但是铁同位素效应非常大[29]

.

该体系铁同位素交换对T c 和T S D W 具有相同的效应.这表明在该体系中,电-声子相互作用对超导机制起到了一定的作用,但是并不是简单的电-声子相互作用机理,还存在自旋与声子的耦合.实验发现,在铁基超导体中,对于T c 和T S D W 的铁同位素效应都大于氧的同位素效应.这是由于铁砷面是导电面,因而其对超导电性有很大的影响,并且自旋密度波有序也是来自于铁的磁矩.在铜氧化合物高温超导体中,超导临界温度的同位素效应随掺杂非常敏感.

在最佳掺杂时,同位素效应几乎消失,而随着降低掺杂逐级增大并在超导与反铁磁态的边界上达到最大值.这表明在铜氧高温超导体中,同位素效应与磁性涨落也有着密切联系.这种反常的同位素效应表明,电-声子相互作用在铜氧化合物中也同样非常重要.因而,这一结果表明,探寻晶格与自旋自由度之间的相互作用对理解高温超导电性机理是非常重要的.2.2 铁基超导体的单晶制备及物性研究

单晶的获得对于物理性质的研究无疑是一件非常基础和重要的工作,然而对于铁基超导体,1111结构的单晶制备非常的困难.122结构铁基超导体的发现使得单晶的制备成为可能.本节主要介绍我们组在122结构铁基超导单晶制备方面的研究进展,以及在单晶物性研究方面取得的结果:我们组在国际上首次利用自助熔剂法成功地合成了高质量的

铁基砷化物122结构的系列单晶,这为铁基超导体的进一步深入研究打下了坚实的基础.

2.2.1 B a F e 2A s 2单晶的制备及物性研究

我们首次报道了采用自助熔剂生长较大的

B a F e 2A s 2单晶

[30

].晶体的尺寸可以达到3×5×0.2mm 3.

本征的输运和磁性以及各向异性第一次在单晶材料中被报道.在单晶的磁化率测量中,在低温温区,没有观察到多晶材料中的居里-外斯行为,并且在自旋密度波温度以上观察到一个随温度线性变化的磁化率行为.我们还观察到电阻率的极小值强烈地依赖于磁场,并且在低温电阻率发生了一个类似

于欠掺杂的铜氧化物的l o g (

1/T )发散.高质量B a F e 2A s 2单晶的本征输运和磁性结果给理论研究提供了本征的现象.

2.2.2 C a F e 2A s 2单晶的制备及物性研究

我们报道了高质量的C a F e 2A s 2单晶本征的输运性质和磁性[31]

.

该材料中的自旋密度波在电阻率上会导致电阻的急剧增加,这不同于R O F e A s 和

M F e 2A s 2(

M =B a ,S r )中自旋密度波的响应[2,11

]

.这种不同的电阻率响应对于理解自旋密度波在铁基

超导体中的作用是非常有帮助的.C a F e 2A s 2的磁化率行为和B a F e 2A s 2单晶的磁化率行为非常相似.

在165K 的自旋密度波温度以上,磁化率也表现出随温度线性变化的行为.同时发现,用部分N a 取代

C a 以后,导致体系在20K 左右表现超导电性.2.2.3 E u F e 2A s 2单晶的制备及物性研究我们采用F e A s 自助熔剂法合成了一种新的

122结构母体单晶E u F e 2A s 2,

并成功地进行了E u 位的L a 掺杂单晶生长[32]

.随后,系统地测量了L a 掺杂的E u F e 2A s 2单晶在不同磁场下的电阻率二磁化率和比热,发现E u

2+

离子的磁性子晶格具有变磁性,在一定的磁场下发生A 型反铁磁到铁磁性转变.随着磁场的增加,比热跳变被压制,并且向低温漂移,达到一临界磁场后继续增加磁场,比热峰又向高温漂移,这一行为支持了变磁性.在反铁磁态,面内磁化率具有与S DW 一样的两度对称性,然而在铁磁态这种两度对称性磁化率行为消失;另外,当S DW 随L a 掺杂被压制时,铁磁态更加容易在磁场下形成.我们提出了一个各向异性的交换模型来理解我们的实验现象.最后给出了x =0和0.15单晶样品的详细的H -T 相图和可能的磁结构.

2.2.4 C o 掺杂的B a F e 2A s 2超导单晶的制备及

物性研究我们采用自助熔剂法合成了系列的B a F e 2-x

四

216四铁基超导体专题

C o x A s2单晶,并且系统地研究了该体系的输运二磁化率和比热性质[33].在欠掺杂区,在电阻率和磁化率上看到S DW转变.磁化率结果显示,在转变温度以上直到700K,存在反常的温度线性磁化率.随着

C o的掺杂,S DW被压制,超导转变出现.在x=

0.17附近的B a F e2-x C o x A s2的电输运二比热和磁化率都显示出与(B a,K)F e2A s2相似的超导与S DW 的共存;当x>0.34时,超导彻底消失.随着C o的掺杂,我们观察到了非费米液体到费米液体的渡越.从S DW到超导态演化的电子相图被提出,在相图中,存在超导与S DW的共存区间.

2.2.5 B a(F e C o)2A s2超导单晶的扫描隧道谱研究

我们与美国哈佛大学J.E.H o f f m a n小组合作,通过扫描隧道谱系统地研究了B a F e1.8C o0.2A s2单晶样品的超导能隙以及磁通涡旋现象[34].结果表明,B a F e1.8C o0.2A s2(T c=25.3K)的超导能隙为6.25m e V,同时在9T和6T下存在一个无序的各向同性二单量子磁通涡旋格子,并且这种磁通涡旋位置与强的表面杂质无关,体现出体钉扎效应.通过拟合磁通涡旋数据,推算出其相干长度ζ为27.6±2.9?,上临界场H c2为43T.在磁通涡旋中心并没有观察到s u b g a p峰,这有别于d波铜氧化合物超导体以及传统的s波超导体.

2.2.6 122单晶的角分辨光电子能谱(A R P E S)研究

我们与复旦大学封东来实验组合作,研究了B a F e2A s2和S r F e2A s2体系的角分辨光电子能谱[35,36].对于母体化合物,直接测量铁基超导体母体B a F e2A s2和S r F e2A s2的电子结构,这为以后进一步的研究提供了基础.观察到通过能带结构的奇异交换劈裂使S DW的能量降低,而不是由于巡游电子的费米面嵌套.这清楚地证明了金属性的S DW 态主要是局域磁矩之间的相互作用导致的,这与反铁磁态的铜氧化合物的母体非常相似.另外,由于S DW的机制及其与超导的关系是新发现的铁基高温超导体的主要问题.特别是超导是否真的与S DW互相排斥还不清楚.利用角分辨光电子谱,研究了S r1-x K x F e2A s2(x=0,0.1,0.2)中能带的交换劈裂和劈裂的非刚性带行为.发现在超导样品中,同样可以观察到交换劈裂行为,证明了在铁砷化合物中超导可以与S DW共存.

2.3 铁基超导体的电子相图及S DW和超导共存

研究

最近的研究表明,铁基超导体属于非传统超导体,电声相互作用并不能导致如此高的临界转变温度[7],强的铁磁或反铁磁涨落被认为是可能的原因[8 10],然而其机理还不是很明朗,其丰富的物理性质有待人们展开进一步深入的研究.研究表明, L a O F e A s母体化合物在150K会发生一个S DW转变[23].随着氟原子的掺杂,S DW会被压制而超导电性出现[2].系统的相图研究对于理解超导电性与自旋密度波的关系将会是非常重要的,这对于理解该体系的超导电性机理也是非常有帮助的.本节主要介绍我们组在铁基电子相图以及S DW与超导共存方面的研究进展.

2.3.1 S m F e A s(O F)体系的电子相图

我们详细地研究了铁基超导体S m F e A s O1-x F x (x=0 0.2)相图以及其反常的输运性质[6].当F 掺杂到0.07时,样品出现超导电性,并且T c随F 掺杂量的增加而升高,其最佳掺杂出现在x=0.2附近,其T c为54K.由于结构相变或S DW有序所导致的电阻率异常峰随着F的掺杂而迅速压制,并且在x=0.14附近出现量子临界点现象.这主要表现在电阻率随温度变化关系上,在x<0.14的样品中,其电阻率ρ跟温度T的线性关系出现在电阻率异常峰以上高温区域;而在x>0.14的样品中,其电阻率ρ跟温度T的线性关系出现T c以上的低温区域.同时霍尔系数在电阻率异常峰之下的温度区域有明显的增加,这表示载流子浓度在此温度之下有显著减少.在所有不同掺杂含量的S m F e A s O1-x F x体系中,发现存在霍尔角与温度成c o tθH~T1.5的标度关系.图2给出了不同掺杂组分S m F e A s (O,F)的电阻随温度的变化关系.图3给出了完整的S m F e A s(O,F)的电子相图,为研究该体系的物理机制提供了很好的基础.

2.3.2 S DW与超导电性共存的μ介子自旋(μS R)

研究

我们与F r i b o u r g大学的C.B e r n h a r d等科研小组合作,通过μ介子自旋(μS R)证实了S m F e A s O1-x F x体系中存在磁涨落与超导共存[37].测量了S m F e A s O1-x F x(x=0.18和0.3)样品的μ介子自旋.观察到在超导转变温度T c邻近出现一个不寻常的慢自旋涨落加强,这表明自旋涨落对非传统超导态的形成有一定的贡献.推算了其面内穿透深度为λa b(0)=190(5)n m,这证实了这类铁基高温超导体在T c和λa b(0)-2之间遵循U e m u r aP l o t 关系.进一步通过μ介子自旋系统地研究了S m F e A s O1-x F x(x=0 0.3)体系,静态磁有序一直

四316四

铁基超导体专题

物理四38卷(2009年)9期 h t t p:∕∕w w w.w u l i.a c.c n

h t t p

:∕∕w w w.w u l i .a c .c n 物理四38卷(2009年)9

期图2 S m F e A s O 1-x F x 不同组分的电阻率随温度变化曲线.图中T s 的箭头代表自旋密度波转变温度,T 0和T '0箭头代表电阻率偏离线性的温度.对于x ≤0.14的样品,

在低温处的电阻可以很好地用a +b T n 来拟合.而对于x ≥0.15的样品,

在低温处的电阻和温度成正比.图引自文献[6

]图3 S m F e A s O 1-x F x 体系的电子相图.图中T s 代表电阻率曲线上反常峰值所对应的温度.T 0和T '0分别代表在高温区和低温区电阻率曲线偏离线性温度行为时所对应的温度.图中的颜

色深浅代表电阻率用公式ρ=a +b T n 拟合所得的n 值大小.

我们可以明显地看出,x =0.14处是不同电阻率随温度变化行为

的分界.这意味着在x =0.14附近处存在量子临界点(Q C P ).图中的S C 区域代表超导区域.图引自文献[6

]延伸到高掺杂区域,在0.1≤x ≤0.15区域,静态磁有序与超导共存,低能自旋涨落在最佳掺杂区域也可以明显地观察到.S m F e A s O 1-x F x 体系的晶体结构和电子结构与铜氧化合物高温超导体非常不同,

然而发现它们的磁性与超导相图随掺杂浓度的关系是非常相似的[38]

.

2.3.3 S DW 与超导共存的压力效应研究

我们组与休斯顿大学的C .W.C h u 科研组合

作,研究了压力对S m F e A s O 1-x F x 体系的超导和自

旋密度波(S DW )的影响[39].在L n F e A s O 1-x F x 体

系中,通过离子半径小的三价稀土元素取代L a ,T c 被提高至41 55K.

许多理论模型被提出,并强调在这类化合物中超导的磁性起源是非常重要的,通过加压力,R e (O 1-x F x )

F e A s 体系T c 可能会更高.随后在L a (O 0.89F 0.11)F e A s 中证实了压力能提高T c .然而与以前预测不同的是,在S m F e A s O 1-x F x 体系中,发现压力既能增加也能减小T c ,这取决于掺杂含量.

我们同时还与爱丁堡大学的K o s m a sP r a s s i d e s

科研小组合作,在S m F e A s O 1-x F x (0.01≤x ≤0.20

)样品中研究了压力效应与掺杂浓度的关系[40],在x ≤0.15的样品中,

压力是增强T c ,而在x ≥0.14样品中压力是压制T c .压力效应在x =0.15附近出现一个变号,这跟电阻与霍尔效应表明在x =0.14附近可能存在一个量子临界点(Q C P )相一致.在欠掺杂区域,超导温度T c 对原子间距非常敏感,然而在最佳掺杂区域附近这种效应被减弱5

10倍.进一步,通过高精度的同步辐射X 射线衍射证明,在x <0.15的样品中,在低温下都会发生从四方到正交的结构相变;对于x >0.15的样品,

整个温区内都为四方结构[41].

这个结果可以很好地理解压力效应在x =0.14前后的不同.在x <0.14时,低温正交结构导致了压力对T c 的增加,而在

x >0.14时,低温四方结构则导致了压力对T c 的降低.同时,还发现,S DW 序只能存在于低温正交结构中,这表明随着掺杂,结构相变温度趋于零的同时,

S DW 转变同样在x =0.14处存在S DW 消失的临界点.

2.3.4 S m F e A s O F 体系高场下的电阻率行为研究

我们组与美国国家强场实验室的G.S .B o e -

b i n g e r 科研组合作,研究了S m F e A s O 1-x F x 体系在

高场(50T )下的电阻率行为[42]

.对于x <0.15的低掺杂样品,其低温电阻率在高场下表现出明显的磁阻行为.在磁场压制超导转变后,观察到电阻率在低温表现l o g

(1/T )的 绝缘性”行为,这与欠掺杂的铜氧化合物超导体表现的行为完全相同.对于x >0.15的样品,

其超导转变温度之上表现小磁阻的行为,强磁场只使超导转变展宽.这种磁场导致电阻率 绝缘性”行为随掺杂浓度的变化关系与前面给出的S m F e A s O 1-x F x 电子相图二结构转变相图,压力效应随掺杂浓度的关系是一致的.所有这些行为都与μS R 给出的磁相图相关,在x <0.15的样品,

四

416四铁基超导体专题

存在S DW有序,而x>0.15的样品,S DW有序被完全压制.因此,在这两个区域表现了不同的行为,这表明S DW有序强烈地影响着体系的物理行为.

2.3.5 S DW与超导共存的中子散射研究

自旋密度波与超导序的关系是当前铁基高温超导体研究的一个核心问题.在L a F e A s(O,F)中存在了许多相互矛盾的结果,一方认为自旋密度波与超导是相互排斥的,而另一方认为两者是可以共存的,这些争论并没有最终解决.在1111结构的S m F e A s (O,F)体系中,结果已经表明,在铁基超导体中,超导与自旋密度波是可以共存的[6,30].针对超导与自旋密度波是否可以共存问题,系统地研究了(B a,K) F e2A s2体系输运和中子散射[43].在0.2

图4 122结构电子型掺杂和空穴型掺杂的相图.图中T s代表同时发生的磁转变和结构相变所对应的温度,T c代表超导转变温度.对于两种不同类型的掺杂自旋密度波(S D W)和超导(S C)均在低温下表现出共存

3 小结

以上介绍了我们组在高温超导铁基化合物领域的最新研究进展.在新材料方面,我们发现了S m F e A s(O,F)体系的高温超导现象,并且在国际上较早地开展了122结构的材料制备和物性研究,并且首次采用自助熔剂法合成了122结构的单晶.在物性研究方面,我们给出了1111以及122结构的铁基化合物电子相图,系统地研究了体系随掺杂浓度变化的各种物理性质,并且提出了在铁基超导体中存在S DW与超导的共存,并且通过多种实验途径验证了这一个结论.我们在1111和122结构中发现了大的铁同位素效应,证明在这一体系中存在较强电声子以及磁声子相互作用,为其机理研究提供了实验基础.目前,新结构的铁基超导体还在不断涌现,人们非常期待更高超导转变温度的铁基化合物被发现,探索新结构和多层结构的铁基超导体成为了当下的研究热点,我们组也正在探索这一类新的铁基超导体.相信具有更高超导转变温度的铁基化合物超导体在不久的将来可以被人们发现.

参考文献

[1]B e d n o r z JG,M u l l e rK A,Z.P h y s,1986,64:189

[2]K a m i h a r aY e t a l.J.A m.C h e m.S c o.,2008,130:3296

[3]Z i m m e r B I e t a l.J.A l l o y s a n dC o m p o u n d s,1995,229:238

[4]Q u e b eP e t a l.J.A l l o y s a n dC o m p o u n d s,2000,302:70

[5]C h e nX H,W uT,W uG e t a l.N a t u r e,2008,453:761

[6]L i uR H,W u G,W u T e t a l.P h y s.R e v.L e t t.,2008,

101:087001

[7]B o e r i L e t a l.P h y.R e v.L e t t.,2008,101:026403

[8]C a oC e t a l.P h y s.R e v.B,2008,77:220506(R)

[9]D a iX e t a l.P h y s.R e v.L e t t.,2008,101:057008

[10]M aF,L uZY.P h y s.R e v.B,2008,78:033111

[11]R o t t e r M,T e g e l M,J o h r e n d t D.P h y s.R e v.L e t t.,

2008,101:107006

[12]W uG,L i u R H,C h e n H e ta l.E u r o p h y s i c s L e t t e r s,

2008,84:27010

[13]R e nZA,C h eGC,D o n g XL e t a l.E u r o p h y s i c sL e t t e r s,

2008,83:17002

[14]Y a n g J,L i ZC,L u W e t a l.S u p e r c o n d.S c i.T e c h n o l.,

2008,21:082001

[15]Y a n g J,S h e nXL,L u W e t a l.a r X i v,2008,0809:3582

[16]W uG,C h e nH,X i eYL e t a l.P h y s.R e v.B,2008,78:

092503

[17]W uG,X i eY L,C h e n H e t a l.J o u r n a l o fP h y s i c s:C o n-

d e n s e d M a t t e r,2009,21:142203

[18]W uG,X i eYL,C h e nH e t a l.C H I N E S ES C I E N C EB U L-

L E T I N,2009,54:1872

[19]O g i n oH,M a t s u m u r a Y,K a t s u r a Y e ta l.S u p e r c o n d.

S c i.T e c h n o l.,2009,22:075008

[20]K a m i h a r a Y,H i r a m a t s u H,H i r a n o M e ta l.J.A m.

C h e m.S o c.,2006,128:10012

[21]X i eY L,L i u R H,W u T e ta l.E u r o p h y s i c s L e t t e r s,

2009,86:57007

[22]C h e nT Y,T e s a n o v i cZ,L i uR H e t a l.P h y s.R e v.B,

2008,77:180510

[24]S e n a t o r eC,F lük i g e r R,W uG e t a l.P h y s.R e v.B,2008,

78:054514

[25]Q i uY,K o f u M,B a o W e t a l.P h y s.R e v.B.,2008,78:

052508

[26]Q i u Y,B a o W,H u a n g Q e t a l.P h y s.R e v.L e t t.,2008,

101:257002

[27]H u a n g Q,Q i uY,B a o W e t a l.P h y s.R e v.L e t t.,2008,

101:257003

[28]C r u zC e t a l.N a t u r e,2008,453:899

四516四

铁基超导体专题

物理四38卷(2009年)9期 h t t p:∕∕w w w.w u l i.a c.c n

h t t p

:∕∕w w w.w u l i .a c .c n 物理四38卷(2009年)9期[29]L i uR H ,W uT ,W uG e t a l .N a t u r e ,2009,459:64[30]W a n g XF ,W uT ,W uG e t a l .P h y

s .R e v .L e t t .,2009,102:117005[31]W uG ,C h e n H ,W u T e ta l .J o u r n a lo fP h y s i c s :C o n -

d e n s e d M a t t e r ,2008,20:422201[32]W uT ,W uG ,C h e n H e t a l .J .M a g n .M a g

n .M a t e r .,2009(t ob e p u b l i s h e d )[33]W a n g X F ,W uT ,W uG e t a l .N e wJ .P h y s .,2009,11:045003[34]Y i nY ,Z e c h M ,W i l l i a m sT L e t a l .P h y s .R e v .L e t t .,2009,102:097002[35]Y a n g LX ,Z h a n g Y ,O uH W e t a l .P h y s .R e v .L e t t .,2009,102:107002[36]Z h a n g Y ,W e i J ,O uH W e t a l .P h y s .R e v .L e t t .,2009,102:127003[37]D r e w A J ,P r a t tF L ,L a n c a s t e r T e ta l .P h y

s .R e v .L e t t .,2008,101:097010

[38]D r e wAJ ,N i e d e r m a y e r C ,B a k e r P J e t a l .N a t u r eM a t e r i -

a l ,2009,8:310

[39]L o r e n t zB ,S a s m a lK ,C h a u d h u r y R P e t a l .P h y s .R e v .B ,2008,78:012505[40]T a k a b a y a s h iY ,M c D o n a l d M T ,P a p

a n i k o l a o uD e t a l .J .A m.C h e m.S o c .,2008,130:9242[41]M a r g a d o n n aS ,T a k a

b a y

a s h i Y ,M c D o n a l d M T e ta l .P h y s .R e v .B ,2009,79:014503[42]R i g g s SC ,K e m p e r JB ,J oY e t a l .P h y s .R e v .B ,2009,79:212510[43]C h e nH ,R e nY ,Q i uY e t a l .E u r o p h y s i c sL e t t e r s ,2009,85:

17006

四书评和书讯四

科学出版社物理类重点书推荐

书名

作(译)者 书名作(译)者

高等量子力学张永德光学中的散斑现象 理论与应用(翻译)J o s e p

h W.G o o d m a n 量子力学

张永德非线性声学(第二版)钱祖文量子信息物理原理张永德现代热力学(英文版)

王季陶陀螺力学(第二版)

刘延柱等离子体动力学及其在太阳物理中的应用黄光力微分几何入门与广义相对论(下册)梁灿彬二周彬经典电动力学曹昌祺10000个科学难题物理卷编委会信息光学理论与计算李俊昌二熊秉衡

铜氧化物高温超导电性实验与理论研究

韩汝珊亚稳金属材料胡壮麒半导体自旋电子学夏建白等超快和纳米光学

张新平结构相变物理(第二版)F u j i m o t o .M 全息干涉计量-原理和方法熊秉衡实用量子力学

F l üg g

e .S 量子统计力学(第二版)张先蔚经典力学新基础(第二版)H e s t e n e s .D 输运理论(第二版)黄祖洽相变和晶体对称性

I z y

u m o v .Y.A 激光光散射谱学

张明生普朗特流体力学基础(翻译)H.

欧特尔等拉曼光谱学与低维纳米半导体张树霖液晶物理学(影印)P .G.d eG e n n e s 路径积分与量子物理导引侯伯元等临界现象理论(影印)J .J .B i n n e y 技术磁学

钟文定软凝聚态物质(影印)

R i c h a r dA.L .J o n e s 量子光学导论谭维翰量子力学原理(第四版)(影印)P .A.M.D i r a c 狭义相对论(第二版)刘辽等基本粒子物理学的规范理论(影印)T.P .C h e n g 凝聚态物理的格林函数理论王怀玉介观物理导论(第二版)(影印)Y.I m r y

超导二超流和凝聚体(注释版)J a m e sF .A

纳米薄膜分析基础(影印)T.L .A l f o r d 现代经典光学(注释版)

G e o f f r e y B r o o k e r 统计力学(第二版)(影印)

F .S c h w a b l

固体能带理论和电子性质(注释版)J o n eS i n g l e t o n 磁性量子理论-材料的磁学性能(第三版)(影印)R.M.W h i t e 原子物理学(注释版)C h r i s t o p h e r J .F o o t 半导体物理电子学(第二版)(影印)S h e n g S .L i 固体的光学性质(注释版)M a r kF o x 碳纳米管 从基础到应用(影印)

A.L o i s e a u 凝聚态物质中的磁性(注释版)

S t e p

h e nB l u n d e l l 购书与咨询电子信箱:m l h u k a i @y a h o o .c o m.c n

四

616四铁基超导体专题

铁基超导,中国主导

铁基超导,中国主导 在经历连续3年的空缺之后，2014年1月10日，来自中国科学院物理所和中国科技大学的研究团队，以“40K以上铁基高温超导体的发现及若干基本物理性质研究”问鼎国家自然科学一等奖。 我国超导科技取得的辉煌成就和影响远远超出了学术、科研和工业制造领域。而铁基超导作为2008年才开始起步的研究项目，以新锐姿态成为超导领域最受重视的板块，吸引了世界上诸多优秀科学家的目光。为什么铁基超导如此特别？针对它的研究对我们有什么影响呢？世界上有许多单质金属及其合金在特殊条件下都是超导体，即电阻为零，而且还具有完全抗磁性的特性。一旦进入超导态，材料内部磁感应强度即为零，于是超导体就如同练就了“金钟罩、铁布衫”，外界磁场根本“进”不去。正是由于这些特性，超导才具有极其深远的应用前景：利用零电阻的超导材料代替有电阻的常规金属材料，可节约输电过程中造成的大量热损耗；可组建超导发电机、变压器、储能环；可在较小空间内实现强磁场，从而获得高分辨率的核磁共振成像，或进行极端条件下的物性研究，或发展安全高速的磁悬浮列车……然而，要让这些物质进入超导态，必须满足一个十分苛刻的条件——环境温度接近绝对零度。所以，之前提到的那些应用前景在现实生活中很难实现。 物理学家麦克米兰根据传统理论计算断定，超导体的转变温度一般不能超过40K（约零下233℃），这个温度也被称为“麦克米兰极限温度”。然而，德国、日本科学家却相继发现了打破这一定律的物质。而两组中国团队更是几乎同时在实验中分别观测到了43K和41K 的超导转变温度，突破了“麦克米兰极限”，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，在国际上引起极大轰动。随后，一个来自中科院的研究组将该类铁砷化合物

超导体材料

超导体材料 超导体的定义 1911年，荷兰发明氦液化器的昂尼斯〔H.K.Onnes)偶然发现，在液氦温度(4.2K)下，汞的电阻突然消失，这种现象被称为超导。但是，象汞这样金属的超导状态在很弱的磁场中就会被破坏。进一步的研究表明，要成为超导状态，温度丁，磁场强度H和电流密度J都必须分别处于临界温度T c，临界磁场强度H c和临界电流密度J c以下。如图1所示，在T-H-J 坐标空间中有一个临界面，其内部就是超导状态。临界条件下具有超导性的物质称为超导材料或超导体。 图 1 超导状态的T-H-J临界面（区面内：超导状态；曲面外：正常状态） 【杨兴钰.材料化学导论[M].武汉:湖北科学技术出版社,2003.】 超导体的应用 50年代后期，发现超导状态的温度提高，而且发现丁能产生强磁场的银及钒的合金和化合物，促使超导现象的应用登上了科技舞台。由于电阻近于0Ω，在超导体内流动的电流将没有损耗．这样，很细的导线就可以通过很强的电流，可产生很强的磁场。问题是它必须在液氦温度下工作，液氮的价格、供应和使用方式使得它的普遍应用受到了严格的限制。即使如此，超导磁体仍大量被使用于加速器、聚变装置、核磁共振和磁分析等仪器上。例如美国费密实验室用了1000多个超导磁体，每年的被氮费用高达500万美元，但因此而节省的电力为18500万美元；美国于1990年建成的周长为83km的超级质子对撞机使用10000个超导磁体，每年可节省电力6亿美元。【唐小真,杨宏秀,丁马太.材料化学导论[M].高等教育出社,1997.】超导核磁共振层析仪能给出人体任一部位的剖面图．其分辨本领远远超过x射线或超声层祈仪．是现代高级医院重要的诊断设备之一。 超导技术在医疗上可用于外科手术。例如导管牵引术，将导管插入血管后，靠强磁体引导到脑部等血管瘤部位后，将磁性胶体注入血管，靠强磁体引导到肿瘤前提供血管定位，使给养阻塞，从而使肿瘤萎缩死亡。【杨兴钰.材料化学导论[M].武汉:湖北科学技术出版社,2003.】利用超导体送电的超导电缆已经出现，利用超导体储存电能的超导储能器可在瞬间释放出极强的电能。这种储能器为激光技术提供了储存条件。它可将强电流存储在超导线圈之中，然后启动开关，一瞬间便会释放出巨能，从而发出强大的激光。 用超导体做的超导磁体，可以得到极强的磁场。因为超导线圈没有电阻，超导磁体可以比普通电磁体轻得多：几千克超导磁体抵得上几十吨常规磁体产生的磁场这将给电力工业带来一系列的变革，发电机会因使用超导体而提高输出功率几十倍、上百倍；已试制出来的

※超导简介与超导材料的历史

神奇的超导：超导简介与超导材料的历史 神奇的超导 罗会仟周兴江 一、什么是超导？ 电阻起源于载流子（电子或空穴）在材料中运动过程中受到的各种各样的阻尼。按照材料的常温电阻率从大到小可以分为绝缘体、半导体和导体。绝大部分金属都是良导体，他们在室温下的电阻率非常小但不为零，在10－12 mΩ?cm量级附近。自然界是否存在电阻为零的材料呢？答案是肯定的，这就是超导体。当把超导材料降到某个特定温度以下的时候，将进入超导态，这时电阻将突降为零（图1），同时所有外磁场磁力线将被排出超导体外，导致体内磁感应强度为零，即同时出现零电阻态和完全抗磁性。超导态开始出现的温度一般称为超导临界温度，一般定义为Tc。微观上来说，当超导材料处于超导临界温度之下时，材料中费米面附近的电子将通过相互作用媒介而两两配对，这些电子对将同时处于稳定的低能组态，叫“凝聚体”。在外加电场驱动下，所有电子对整体能够步调一致地运动，因此超导又属于宏观量子凝聚现象。对于零电阻态，实验上已经证实超导材料的电阻率小于10－23 mΩ?cm，在实验精度允许范围内已经可以认为是零。如果将超导体做成环状并感应产生电流，电流将在环中流动不止且几乎不衰减。超导体的完全抗磁性并不依赖于超导体降温和加场的次序，也称为迈斯纳（Meissner）效应。一个材料是否为超导体，零电阻态和完全抗磁性是必须同时具有的两个独立特征。

超导态下配对的电子对又称库珀（Cooper）对。配对后的电子将处于凝聚体中，打破电子对需要付出一定的能量，称为超导能隙，它反映了电子间的配对强度。一般来说，超导态在低外磁场及低温下是稳定的有序量子态。超导体的一系列神奇特性意味着我们可以在低温下稳定地利用超导体，比如实现无损耗输电、稳恒强磁场和高速磁悬浮车等。正因如此，自从超导发现以来，人们对超导材料的探索脚步一直不断向前，对超导微观机理和超导应用的研究热情也从未衰减。随着对超导研究的深入，一系列新的超导家族不断被发现，它们展现的新奇物理现象也在不断挑战人们对现有凝聚态物理的理解，同时实验技术手段也因此得以加速进步，理论概念更是取得了诸多飞跃。已逾百年的超导研究，在诸多科学家的推动下，依旧不断展示新的魅力！ 金属Hg在4.2K以下的零电阻态

超导材料的发展

超导材料的发展 摘要：超导材料的发现为人类诸多梦想的实现提供了可能，新型超导材料一直是人类追求的目标。该文主要从超导材料的探索与发现、制备技术、研究面临的挑战等几个方面来探讨超导材料的发展与研究现状。 关键词：超导材料高温超导 引言：超导材料是在低温条件下能出现超导电性的物质。超导材料最独特的性能是电能在输送过程中几乎不会损失。近年来，随着材料科学的发展，超导材料的性能不断优化，实现超导的临界温度也越来越高。正如半导体带来了资讯时代、光纤带来了传讯时代，高温超导材料将从根本上改变人类的用电方式，给电力、能源、交通以及其它与电磁有关的科技业带来革命性的发展。 1.超导材料的探索与发展 探索新型超导材料在超导材料研究中始终起着关键的作用，同时也是一项高风险、高投人的研究工作。自191 1年荷兰物理学家卡麦林·昂尼斯发现汞在4．2K 附近的超导电性以来，人们发现的新超导材料几乎遍布整个元素周期表，从轻元素硼、锂到过渡重金属铀系列等。超导材料的最初研究多集中在元素、合金、过渡金属碳化物和氮化物等方面。至1973年，发现了一系列A15型超导体和三元系超导体，如Nb3Sn、V3Ga、Nb3Ge，其中Nb3Ge超导体的临界转变温度(T c)值达到23．2K。以上超导材料要用液氦做致冷剂才能呈现超导态，因而在应用上受到很大限制。 1986年，德国科学家柏诺兹和瑞士科学家穆勒发现了新的金属氧化物超导材料即钡镧铜氧化物(La—BaCuO)，其T c为35K，第一次实现了液氮温区的高温超导。铜酸盐高温超导体的发现是超导材料研究上的一次重大突破，打开了混合金属氧化物超导体的研究方向。l987年初，中、美科学家各自发现临界温度大于90K的YBaCuO超导体，已高于液氮温度(77K)，高温超导材料研究获得重大进展。后来法国的米切尔发现了第三类高温超导体BiSrCuO，再后来又有人将Ca掺人其中，得到BiSrCaCuO超导体，首次使氧化物超导体的零电阻温度突破100K大关。

铁基高温超导体研究进展

物理四38卷(2009年)9期 h t t p :∕∕w w w.w u l i .a c .c n 铁基超导体专题 铁基高温超导体研究进展* 陈仙辉? (中国科学技术大学物理系 合肥微尺度物质科学国家实验室 合肥 230026 )摘 要 最近,由于在铁基L n (O ,F )F e A s 化合物及其相关化合物中发现具有高于40K 的超导电性,层状的铁基化合物引起了凝聚态物理学界很大的兴趣和关注.在随后的研究中发现,在该类材料中最高超导临界温度可达到55K.这些重要的发现使得人们又重新对高温超导体的探索产生了极大的兴趣,并且为研究高温超导的机理提供了新的一类材料.文章主要介绍了作者所在组在新型铁基超导体方面的最新研究进展,包括:(1)铁基超导材料探索研究;(2) 铁基超导体的单晶制备及物性研究;(3)铁基超导体的电子相图及自旋密度波(S DW )和超导共存研究;(4)同位素交换对超导转变和S DW 转变的效应.最后,在已完成的工作基础上提出了一些今后的研究方向和发展前景.关键词 铁基超导体,自旋密度波,相图,结构相变 N e w i r o n -p n i c t i d e s u p e r c o n d u c t o r s C H E N X i a n - H u i ? (H e f e iN a t i o n a lL a b o r a t o r y f o rP h y s i c a l S c i e n c e a tM i c r o s c a l e a n dD e p a r t m e n t o f P h y s i c s ,U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y o f C h i n a ,H e f e i 230026,C h i n a )A b s t r a c t T h ed i s c o v e r y o f s u p e r c o n d u c t i v i t y w i t hac r i t i c a l t e m p e r a t u r e (T c )h i g h e r t h a n40Ki nt h e i r o na r s e n i d eL n (O ,F )F e A s h a s d r a w nm u c h i n t e r e s t i n c o n d e n s e dm a t t e r p h y s i c s .L a t e r d i s c o v e r i e s ,i n c l u -d i n g t h e e n h a n c e m e n t o f T c u p t o 55K ,h a s e v o k e d i n t e n s e e x c i t e m e n t i n t h e p i l g r i m a g e t o w a r d s t h e u n d e r -s t a n d i n g o f t h em e c h a n i s mo f h i g hT c s u p e r c o n d u c t i v i t y ,w h i l e p r o v i d i n g a b r a n d n e wf a m i l y o fm a t e r i a l s t o a d d r e s s t h i s i s s u e .I n t h i s r e v i e ww e p r e s e n t o u r g r o u p 'sm a j o r r e s e a r c h o n n e w i r o n b a s e d s u p e r c o n d u c t o r s ,i n c l u d i n g :(1)o u r i n i t i a l i n v e s t i g a t i o n s ;(2)t h e s y n t h e s i s o f i r o n a r s e n i d e s i n g l e c r y s t a l s a n d t h e c h a r a c t e r -i z a t i o no f i t s p h y s i c a l p r o p e r t i e s ;(3)t h e e l e c t r o n i c p h a s e d i a g r a mo f i r o n b a s e d s u p e r c o n d u c t o r s a n d t h e c o -e x i s t e n c eb e t w e e n s p i n d e n s i t y w a v e s a n d s u p e r c o n d u c t i v i t y ;(4)t h e e f f e c t o f i s o t o p e e x c h a n g e o n s p i n d e n -s i t y w a v e s a n d s u p e r c o n d u c t i n g t r a n s i t i o n s .T o f i n i s h ,w e p r o p o s e p o s s i b l e f u t u r e d i r e c t i o n s i n t h i s f i e l d .K e y w o r d s i r o n - p n i c t i d e s u p e r c o n d u c t o r ,s p i nd e n s i t y w a v e (S DW ),p h a s e d i a g r a m ,s t r u c t u r a l t r a n s i t i o n * 国家自然科学基金二 国家重点基础研究发展计划(批准号:2006C B 601001,2006C B 922005 )和中国科学院资助项目2009-07-15收到 ? E m a i l :c h e n x h @u s t c .e d u .c n 1 引言 1986年,I B M 研究实验室的物理学家B e d n o r z (柏诺兹)和M ül l e r (缪勒)发现了临界温度为35K (零下238.15℃)的镧钡铜氧超导体[1]. 这一突破性发现导致了一系列铜氧化物高温超导体的发现.自那以后,铜基高温超导电性及其机理成为凝聚态物理的研究热点.然而直至今日,铜基高温超导机制仍未解决,这使得高温超导成为当今凝聚态物理学中最大的谜团之一.因此科学家们都希望在铜基超导材料以外再找到新的高温超导材料,能够从不同的 角度去研究高温超导机制,最终解决高温超导的机制问题. 最近,由于在铁基L a O 1-x F x F e A s (x =0.05 0.12)化合物中发现有26K 的超导电性[2] , 层状的Z r C u S i A s 型结构的L n O MP n (L n =L a ,P r ,C e ,S m ;M =F e ,C o ,N i ,R u 和P n =P 和A s )化合物引起了科学家很大的兴趣和关注[3,4] .2008年3月, 四 906四

传统超导体简介

2014年5月24日 传统超导体简介 LH·ZW 摘要：如今超导体在社会生产中扮演着越来越重要的作用，不管是急速发展着的电子工业 还是磁悬浮列车的发展都与超导体的发展息息相关。并且一直以来有着神秘色彩超导体在我们心目中都是高端得遥不可及的，而当今社会的发展却因之而大放异彩，所以对于超导体的机制及其应用我们还是应该学习的。 关键词：电磁学超导体零电阻现象迈斯纳效应超导发电磁悬浮列车 引言 超导体与电磁相关原理不无关系。超导体没有电阻是一材料宏观表现出来的性质，并且在我们现有的认知当中，当温度到达（升高或降低）该材料的某一临界值时，其温度会变为让人们一直以来都不为理解且震惊的零值，即是不可思议的没有电阻现象。且超导的最具特点与价值的是其完全导电性和完全抗磁性，由此使得其在社会生活生产中扮演着重要的角色。 一．超导体分类 现在对于超导体的分类并没有统一的标准，通常的分类方法有以下几种： ?通过材料对于磁场的相应可以把它们分为第一类超导体和第二类超导体：对于第一类超导体只存在一个单一的临界磁场，超过临界磁场的时候，超导性消失；对于第二类超导体，他们有两个临界磁场值，在两个临界值之间，材料允许部分磁场穿透材料。 ?通过解释的理论不同可以把它们分为：传统超导体（如果它们可以用BCS理论或其推论解释）和非传统超导体（如果它们不能用上述理论解释）。 ?通过材料达到超导的临界温度可以把它们分为高温超导体和低温超导体：高温超导体通常指它们的转变温度达到液氮温度（大于77K）；低温超导体通常指它们需要其他特殊的技术才可以达到它们的转变温度。 ?通过材料可以将它们分为化学材料超导体比如：铅和水银；合金超导体比如：铌钛合金；氧化物超导体,比如钇钡铜氧化物；有机超导体,比如：碳纳米管。 二．一般超导体（即第一类超导体）的微观机制 1.电阻成因：很多宏观现象可以从微观领域中得到解释。电流是导体中电子的定向移动。电子在原子间移动时，由于电子与原子核间的电磁力的作用，会引起原子振动。众所周知，在正常导体中，一些电子没有被束缚到个别原子上，而是可以通过正离子的晶格自由运动。而电流通过晶格运动时），特别是金属中电子与晶格缺陷碰撞散射，以及在运动过程中其会与晶格振动相互作用而带来宏观上的电阻现象（1）（2）。这就是电阻的成因。 2.超导形成：由电阻成因知我们欲形成超导则要使得那电磁力的作用得到消除进而使得原子消除振动，从而使得电阻为零形成超导。并且由科学研究知在低温下核外电子运转速率

超导的研究现状及其发展前景

题目：超导的研究现状及其发展前景 作者单位：陕西师范大学物理学与信息技术学院物理学一班 作者姓名：杜瑞，程琳，党晓菲，闫甜，王福琼，刘洁，刘园，郭丽丽 学号：40606043，40606042，40606044，40606045，40606046，40606047，40606048，40606049 指导教师：郭芳侠 交论文时间：20007-11-28

超导的研究现状及其发展前景 （陕西师范大学物理学一班第七组 710062） 摘要：本文简单介绍了一些与超导相关的概念，超导材料，超导的简史，超导的研究现状及对超导应用的前景展望。 关键字：超导，超导体，超导现象，超导材料，临界参量，研究现状，前景 Superconductivity research present situation and prospects for development （Shaanxi normal university physics one class Seventh group 710062） Abstract: This article simply introduced some and the superconductivity correlation concept, the superconductivity material, the superconductivity brief history, the superconductivity research present situation and to the superconductivity application prospect forecast.

铁基超导体

铁基超导体 对于现代人来说，超导已经不再是一件什么神秘的事情了，普通的中学生就已经知道了所谓的超导现象：当导体的温度降到一个临界温度时电阻会突然变为零。处于超导状态的导体称之为超导体。超导体除了电阻为零的特殊性质之外，人们后来又发现了它的另一个神奇的性质——完全抗磁性，也就是说超导体内的磁感应强度为零，把原来存在于体内的磁场也完全“排挤”出去。这一现象也被称为“迈斯纳效应”。正是由于超导体的这一性质，而铁基材料通常具有铁磁性，因此被认为最不具备成为高温超导材料的条件。但最近的科研结果却打破了这一传统的束缚，铁基超导材料成为了高温超导研究领域的一个“重大进展”。 铁基超导体的发现历程 高温超导是指材料在某个相对较高的临界温度，电阻突降至零。1986年，美国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，铜基超导材料成为全世界物理学家的研究热点，超导体的临界温度也不断“飙升”，在短短几年中，铜氧化合物的超导临界转变温度就被提高到134K（常压）和164K（高压）。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。

2008年2月23日，日本科学技术振兴机构和东京工业大学联合发布公报称，东京工业大学教授Hosono的研究小组合成了氟掺杂钐氧铁砷化合物。该化合物是一种由绝缘的氧化镧层和导电的砷铁层交错层叠而成的结晶化合物。纯粹的这种物质没有超导性能，但如果把化合物中的一部分氧离子转换成氟离子，它就开始表现出超导性，并且在26K（零下247摄氏度）时具有超导特性。其实在2006和2007年Hideo Hosono小组就已经分别报道在LaFePO 和LaNiPO 材料中发现转变温度为2到7K的 超导电性。但这一次却立刻引发 了人们对这一体系的强烈关注 （下图为LaFeAsO的晶体结构）。 3月14日，中科院物理所闻海虎， 在镧氧铁砷 (LaOFeAs) 材料中用二价金属替换三价的La，在空穴型掺杂中取得重要进展，临界温度达到25K。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。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℃，将这场追求铁基高临界温度的竞争推向高潮，并保持着目前为止铁基超导体的临界温度最高纪录。 新的超导机制有望取得突破

超导材料的现状及发展趋势分析

超导材料的现状及发展方向自1911年荷兰莱顿实验室的卡末林·昂纳斯首次在4．2K时发现水银零电阻现 象即超导现象以来。人们相继在超导 材料方面取得很多突破，后来在梅斯 勒发现超导体的抗磁性之后， 1934 —1985年后超导物理学理论逐步发 展，超导材料逐步应用于实际科学技 术领域。但由于种种原因，至今超导 物理学理论也不够完善。在这一阶段 人们研究的超导材料临界转变温度 较低。 后来进入高温超导研究阶段，高温超导材料指的是：钇系(92 K)、铋系(110 K)、铊系(125 K)和汞系(135 K)以及2001年1月发现的新型超导体二硼化镁(39 K)。高温超导体属于非理想的第II类超导体。临界磁场和临界电流且比低温超导体更高。同时已对高温超导材料进研究开发，氧化物复合超导材料具有耐用和稳定性好的特点。通过研究浸泡实验表明，超导电性的退化主要来自于杂相及时效过程中的析出相。为了改善薄膜对环境的敏感性，美国西北大学的Mirkin建议把分子单层表面化学改性引入到高温超导铜氧化合物中。 以铋锶钙铜氧系为第一代高温超导带材，它的可加工性优良，在超导强电应用领域占据重要位置。但铋系材料的实用临界电流密度较低，并且在77 K的应用磁场也很低。然而钇钡铜氧化物材料在77 K的超导电性比铋锶钙铜氧材料好的多；但它的可加工性极差，故要做出超导性好的带材通过传统的压力加工和热处理工艺就很难。 随着材料科学工艺技术的发展，近年来一种在轧制金属基带上制造钇钡铜氧超导带材的工艺被称作“第二代”带材。欧洲国家努力开展高温超导材料工艺及应用研究。丹麦已批量制造铋系超导带材。2003年11月我国第一个10m、 10.5kV/1.5kA 三相交流高温超导电缆系统日前在中国科学院电工研究所研制成功，并于成功地进行了试验运行。2011年5月信赢和公司团队研发的世界最大功率的超导限流器刚成功。2011年9月25日，特拉维夫大学的研究小组开发出了一种超导体材料——蓝宝石单晶体纤维，可用于高压电缆输电，输电量是相同直径铜线输电量的40倍。研究人员称这种超导材料将有可能彻底改变电力输送占空间、高损耗的状况。 高温超导材料主要有：膜材(薄膜、厚膜)、块材、线材和带材等类型。薄膜最常用、最有效的两种镀膜技术是：磁控溅射和脉冲激光沉积。还有金属有机

铁基超导材料研究进展_郭巧琴

2015年2月（上） 铁基超导材料研究进展 郭巧琴 （西安工业大学材料与化工学院，陕西西安７１００３２） ［摘要］本文首先对铁基超导体的发现历史进行了阐述，接着对不同结构体系的铁基超导材料的研究进展进行了详细论述。最后对铁基超导材料进行了总结与展望。 ［关键词］铁基超导体；晶格结构；高温超导电性；晶体生长 超导是某些物质在一定温度条件下（一般为较低温度）电阻降为零的性质。人们把处于超导状态的导体称之为“超导体”。１９１１年，ＨｅｉｋｅＫａｍｍｅｒｌｉｎｇｈＯｎｎｅｓ发现当温度降至０ｋ时，金属汞的电阻降到４．２ｋ［１￣２］。同时发现其他金属也有相似现象，从此超导研究开始了。 超导材料可分为传统超导和非传统超导。随后，重费米子超导体，铜基超导体，有机超导体和铁基超导体先后被发现。１９８６年，铜氧化高温导体的发现促使了超导材料的研究。 ２００８年２月底，日本东京工业大学Ｈｏｓｏｎｏ教授领导的研究小组报道在铁基层状化合物ＬａＦｅＡｓＯ中通过Ｆ掺杂发现了高达２６Ｋ的超导电性。 这引发了凝聚态物理界对超导的关注。铁基超导体的研究和发现已被美国《Ｓｃｉｅｎｃｅ》杂志评为２００８年世界十大科技进展之一［３］。 1铁基超导研究进展 与铜基超导材料不同，铁有５个３ｄ轨道，且均在费米能级周围，未掺杂铁基超导体具有抗磁性，这一点与铜基超导体也不同。最初发现的ＬａＦｅＡｓＯ铁基高温超导材料具有四方相层状结构，和ＺｒＣｕＳｉＡｓ结构相似。 但是，由于铁基超导体超导转变温度较低，人们并未广泛关注。直至二零零八年二月，Ｔｃ为２６Ｋ的ＬａＦｅＡｓＯ１－ｘＦｘ才被人们发现。 之后，用其他稀土元素，包括从Ｃｅ￣Ｓｍ的所有轻稀土元素，以及Ｇｄ，Ｔｂ和Ｄｙ等重稀土元素，均可完全替换掉Ｌａ，便可得到Ｔｃ在５０～５６Ｋ的超导体。 近年来探索铁基超导新材料领域的主要研究工作是氟基系列母体如ＡＥＦｅＡｓＦ的发现。 二零零八年十月日本Ｈｏｓｏｎｏ课题组报道了Ｔｃ＝２２Ｋ的超导体ＣａＦｅ１－ｘＣｏｘＡｓＦ［４］。 几乎同一时间，中国科学研究院物理研究所闻海虎课题研究小组也独立报道了发现ＡＥＦｅＡｓＦ系列母体。 该研究组通过稀土元素在ＡＥ位上的取代，合成了一系列新的具有高临界温度的铁基超导体材料。 闻海虎等人通过在ＬａＦｅＡｓＯ中，利用＋２价的Ｓｒ离子部分取代＋３价的Ｌａ离子，在ＬａＦｅＡｓＯ１－ｘＦｘ中发现了Ｔｃ＝２５Ｋ的超导电性。沿着这个研究思路，人们逐渐发现了Ｐｒ１－ｘＳｒｘＦｅＡｓＯ与Ｎｄ１－ｘＳｒｘＦｅＡｓＯ等空穴型铁基超导体［５］。 基于ＬｎＭＰｎＯ母体的铁基超导体（又名为ＦｅＡｓ－１１１１相结构）的发现，使人们对逐渐对ＦｅＡｓ层对于高温超导电性的重要性有了新的认识。 中国科学研究院物理研究所王楠林课题组和闻海虎课题组分别地进行了新型ＬａＦｅＡｓＯＦ铁基超导体材料输运性质测量研究［６］。 目前，多种不同结构体系的铁基超导体已经被开发研究出来，其主要体系有ＲｅＦｅＡｓＯ（１１１１体系）、ＬｉＦｅＡｓ或ＮａＦｅＡｓ（１１１体系）、ＡＦｅ２Ａｓ２（１２２体系）等。 在已知道的１２２和１１１１体系，层间耦合的强弱，决定了未掺杂的母体均发生反铁磁自旋密度波（ＳＤＷ）相变和结构相变的先后次序。封东来等通过对ＫｘＦｅ２Ｓｅ２进行各种本地和同步辐射实验测试，终于获得了完整的电子结构，并且测得了各向同性的ｓ波超导能隙［７］。 令人惊奇的是，这种材料的电子结构和以往的铁基超导体完全不同：整个费米面没有空穴，而只存在电子。 封东来教授课题组的这一研究发现意味着，ＫｘＦｅ２Ｓｅ２这种新的铁基超导体的配对机制及超导对称性都与其他已知铁基超导体不同，之前建立的铁基超导体的普遍图像将可能遭到颠覆。 陈仙辉等人利用ＦｅＡｓ自助熔剂法合成制备了新的１２２母体单晶材料ＥｕＦｅ２Ａｓ２，并对Ｅｕ位的Ｌａ掺杂单晶材料进行了制备生长。 之后，比较系统地测试了Ｌａ掺杂ＥｕＦｅ２Ａｓ２单晶材料在不同磁场中的磁化率、电阻率和比热，研究结果发现Ｅｕ２＋的磁性子的晶格具有变磁性，在一定的磁场中会发生Ａ型反铁磁性到铁磁性的转变。 随磁场强度增加，比热波动被控制，并且向低温方向转移，到达临界磁场强度后继续增强磁场，比热峰继而向高温方向漂移，该行为可导致变磁性。 在反铁磁态时，磁化率拥有有与ＳＤＷ相同的两度对称性，但是在铁磁态时，该两度对称磁化率行为将消失； 此外，当ＳＤＷ随镧掺杂被压制时，铁磁态更易在磁场下形成。 由此，便提出了各向异性的交换模型来理解实验现象。最后给出了ｘ＝０和０．１５单晶样品的详细的Ｈ－Ｔ相图和可能的磁结构［８］。 美国能源部橡树岭国家实验室的Ｓｉｎｇｈ等人对ＦｅＳｅ、ＦｅＳ和ＦｅＴｅ的电子结构、费米面、声子谱、磁性、电声耦合等进行了等密度泛函计算研究，提出掺杂的ＦｅＴｅ和Ｆｅ（Ｓｅ，Ｔｅ）都可能具有超导电性，特别是ＦｅＴｅ的自旋密度波具有更强的稳定性，因此掺杂的ＦｅＴｅ可能会拥有比ＦｅＳｅ更高的临界温度。 美国杜兰大学Ｍａｏ领导的研究小组制备出Ｆｅ（Ｓｅ１ｘＴｅｘ）０．８２系列多晶样品，发现０≤ｘ＜０．１５和０．３＜ｘ＜１．０两种超导相，在０．１５≤ｘ≤０．３范围内，两种超导相共存，在０．３＜ｘ＜１．０范围内，常压Ｔｃ最高可以达到１４Ｋ。 更为重要的是，研究发现只有当样品变为ＦｅＴｅ０．８２时，超导现象才会被抑制［９，１０］。Ｔａｋａｎｏ小组宣布用固相反应法成功合成了新型铁基超导材料ＦｅＴｅ１－ｘＳｘ（ｘ＝０．１，０．２）。 研究结果显示，Ｓ取代效应抑制了母体ＦｅＴｅ在８０Ｋ时结构相的转变，这成为ＦｅＴｅ１－ｘＳｘ实现超导体的关键所在。 王楠林课题组借助Ｂｒｉｄｇｍａｎ法生长出Ｆｅ１．０５Ｔｅ和Ｆｅ１．０３Ｓｅ０．３０Ｔｅ０．７０单晶样品，并开展了细致的物性研究工作，揭示出额外铁离子对其性质的重要影响。 2总结与展望 铁基超导体具有高的、非常规的上临界场和较小的各向异性，并且相对铜氧化物超导体具有更大的想干长度，这些导致这类材料具有很大的应用潜力。 就机理而言，反铁磁涨落对超导是否有直接影响非常重要。所有欠掺杂的铁基超导材料反铁磁序是非常值得研究人员所探索的。阐明超导机理、费米面的形态以及其随掺杂的演化规律均可从单晶样品上获得可靠数据。 具有更高Ｔｃ的新超导体的发现可以从空穴掺杂、新结构或者多层的思路去探索研究。 铁基超导材料研究正在持续升温，新的发现层出不穷。 我国科研机构，特别是中国科学院，开展了卓有成效的研究工作，在以新型铁基超导体研究为核心的新一轮高温超导材料研究热潮 ２６

铁基超导体研究取得重要进展

铁基超导体研究取得重要进展 [本刊讯]近日，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室、中国科学院强耦合量子材料物理实验室的陈仙辉教授研究组在铁基超导研究领域取得了重大进展，成功发现了一种新的铁基超导材料（Li0.8Fe0.2）OHFeSe，其超导转变温度高达40开以上，并与美国国家标准技术研究所中子研究中心的黄清镇博士以及中科大吴涛教授等几个研究组合作，确定了该新材料的晶体结构并发现超导电性和反铁磁共存。相关研究成果在线发表在12月15日的Nature Materials上。 铁基高温超导体是目前凝聚态物理领域的研究热点，其机理还没有得到完全理解，FeSe类超导体以其诸多独特的性质被认为是研究铁基超导机理的理想材料体系。尤其是近期报道的生长于SrTiO3衬底上的FeSe单层薄膜的零电阻转变温度高达100开以上，更加激起了科学家对于这一体系的浓厚兴趣。然而，对于FeSe类超导材料，目前研究较为广泛的AxFe2Se2（A=K，Rb，Cs）体系存在严重的相分离，反铁磁绝缘相与超导相的共生导致该类材料的结构与性质非常复杂，从而使得研究其内在的物理机制变得非常困难。而FeSe 单层薄膜以及通过液氨等低温液相插层方法合成的Lix（NH2）y（NH3）1-yFe2Se2等化合物在空气中极不稳定，无法深入研究其物理性质。为了能够深入探究铁基高温超导的物理机制，亟需寻找到新的具有高的超导转变温度且空气稳定。并适合物理测量的FeSe类超导材料。 陈仙辉研究组首次利用水热反应方法成功发现了一种新的FeSe类超导材料（Li0.8Fe0.2）OHFeSe，超导转变温度高达40开以上。通过结合X射线衍射。中子散射和核磁共振三种技术手段精确确定了该新材料的晶体结构。此外，发现该结构中严重畸变的FeSe4四面体

铁基超导体材料

[键入公司名称] 铁基超导体材料[键入文档副标题] 吕鸿燕 14园林本2 1407220221

铁基超导体材料 以赵忠贤、陈仙辉、王楠林、闻海虎、方忠为代表的中国科学院物理研究所和中国科学技术大学研究团队因为在“40K以上铁基高温超导体的发现及若干基本物理性质研究”方面的突出贡献获得了国家自然科学一等奖。之前，这一奖项已经连续3年空缺。 超导，全称超导电性，是20世纪最伟大的科学发现之一，指的是某些材料在温度降低到某一临界温度，或超导转变温度以下时，电阻突然消失的现象。具备这种特性的材料称为超导体。 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。 在超导研究的历史上，已经有10人获得了5次诺贝尔奖，其科学重要性不言而喻。目前，超导的机理以及全新超导体的探索是物理学界最重要的前沿问题之一。它仿佛是镶嵌在山巅的一颗璀璨明珠，吸引着全世界无数的物理学家甘愿为之攀登终生。同时，超导在科学研究、信息通讯、工业加工、能源存储、交通运输、生物医学乃至航空航天等领域均有重大的应用前景，受到人们的广泛关注。 继铜基超导材料之后，日本和中国科学家最近相继报告发现了一类新的高温超导材料——铁基超导材料。美国《科学》杂志网站报道说，物理学界认为这是高温超导研究领域的一个“重大进展”。 高温超导是指材料在某个相对较高的临界温度，电阻突降至零。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，铜基超导材料成为全世界物理学家的研究热点。

超导体的发展史

超导体的发展史 1911年： 1911年，荷兰科学家卡末林—昂内斯（Heike Kamerlingh-Onnes）用液氦冷却汞，当温度下降到4.2K（﹣268.95℃）时，水银的电阻完全消失，这种现象称为超导电性，此温度称为临界温度。根据临界温度的不同，超导材料可以被分为：高温超导材料和低温超导材料。 1933年： 1933年，迈斯纳和奥克森菲尔德两位科学家发现，如果把超导体放在磁场中冷却，则在材料电阻消失的同时，磁感应线将从超导体中排出，不能通过超导体，这种现象称为抗磁性。 1973年： 1973年，发现超导合金――铌锗合金，其临界超导温度为23.2K（﹣249.95℃），这一记录保持了近13年。 1986年： 1986年，设在瑞士苏黎世的美国IBM公司的研究中心报道了一种氧化物（镧钡铜氧化物）具有35K（﹣240.15℃）的高温超导性。此后，科学家们几乎每隔几天，就有新的研究成果出现。1986年，美国贝尔实验室研究的超导材料，其临界超导温度达到40K（﹣235.15℃）液氢的“温度壁垒”（40K）被跨越。 1987年： 1987年，美国华裔科学家朱经武以及中国科学家赵忠贤相继在钇－钡－铜－氧系材料上把临界超导温度提高到90K（﹣185.15℃）以上，液氮的“温度壁垒”（77K）也被突破了。1987年底，铊－钡－钙－铜－氧系材料又把临界超导温度的记录提高到125K（﹣150.15℃）。从1986－1987年的短短一年多的时间里，临界超导温度提高了近100K。 来自德国、法国和俄罗斯的科学家利用中子散射技术，在高温超导体的一个成员单铜氧层Tl2Ba2CuO6+δ中观察到了所谓的磁共振模式，进一步证实了这种模式在高温超导体中存在的一般性。该发现有助于对铜氧化物超导体机制的研究。 1988年：

超导材料论文

超导材料的研究进展 陈志义 2011326690110 应用物理11（1）班 摘要：超导是金属或合金在较低温度下电阻变为零的性质。超导材料是当代材料科学领域一个十分活跃的重要前沿，其发展将推动功能材料科学的深入发展。高温超导材料经过近 20年的研发，已经初步进入了大规模实际应用和产业化。随着超导材料临界温度的提高和材料加工技术的发展，它将会在许多高科技领域获得重要应用。 关键词：超导高温超导体进展超导超导材料临界温度进展 引言：随着社会的进步，工业的发展，人们对能源的需求量越来越大。但是，像石油、煤等能源储备有限且不可再生。故而，如何在有限能源的条件下使社会健康稳步地发展，亦即如何做到可持续发展成了当今人们亟需解决的问题。对于这些问题的解决方法，超导材料表现出了巨大的潜力。长期以来，如何找到一种完全没有电阻，能消除电能损耗的导电材料，一直是物理学家和材料科学工作者梦寐以求的愿望。1911年，荷兰物理学家卡麦林·昂尼斯首次意外地发现了超导现象：将水银冷却到接近绝对零度时，其电阻突然消失。这一现象的发现为解决电路损耗带来了福音。从此，对于超导材料的研究如火如荼。 一、超导材料的概念 超导材料是在低温条件下能出现超导电性的物质。超导材料最独特的性能是电能在输送过程中几乎不会损失。超导材料的发展经历了从低温到高温的过程，经过无数科学家的努力，超导材料的研究已经取得了巨大的发展。近年来，随着材料科学的发展，超导材料的性能不断优化，实现超导的临界温度也越来越高。高温超导材料的制备工艺也得到了长足的发展，一些制备高温超导材料的材料陆续被科学家发现。现在，超导材料的研究主要集中在超导输电线缆，超导变压器等电力系统方面，还有，利用超导材料可以形成强磁场，是超导材料在磁悬浮列车的研究上有了用武之地，另外，超导材料在医学，生物学领域也取得了很大的成就。超导材料的研究未来，超导材料的研究将会努力向实用化发展。一旦室温超导体达到实用化、工业化，将对现代文明社会中的科学技术产生深刻的影响。 二、超导材料的分类 超导材料分为低温超导材料和高温超导材料。 1、低温超导材料 何谓低温超导材料？低温超导材料是具有低临界转变温度(T c<3OK=在液氦温度条件下工作)的超导材料，分为金属、合金和化合物。具有实用价值的低温超导金属是Nb(铌)，T c 为9.3K已制成薄膜材料用于弱电领域。合金系低温超导材料是以Nb为基的二元或三元合金组成的β相固溶体，T c在9K以上。低温超导材料一般都需在昂贵的液氦环境下工作,由于液氦制冷的方法昂贵且不方便，故低温超导体的应用长期得不到大规模的发展。低温超导材料的应用分为：强电应用，主要包括超导在强磁场中的应用和大电流输送；弱电应用，主要包括超导电性在微电子学和精密测量等方面的应用。 2、高温超导材料 高温超导体材料(HTS)具有超导电性和抗磁性两个重要特性。要让超导体得到现实的应用，首先要有容易找到的超导材料。即主要研究方向就是寻找能在较高温度下存在的超导体材料。高温超导材料用途非常广泛，大致可分三大类：大电流应用、电子学应用和抗磁性应用。大电流应用是由于超导材具有零电阻和完全的抗磁性，因此只需消耗极少的电能，就可以获得的稳定强磁场。超导体的基本特性之一是当它处于超导态时具有理想的导电性，同时由于其载流能力远远强于常规导体，因此，利用超导体可以传输大电流和产生强磁场，并且没有电阻热损耗。电工设备的基本特点是大电流、强磁场和高电压，因此在电工设备中使用超导材料可以减少电气损耗、提高效率、缩小体积、减轻重量、降低成本，还可以提高装置

铁基超导

铁基超导 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。 传统的解释常规超导体的超导电性的微观理论预言，超导体的最高温度不会超过麦克米兰极限的39K。在以往的研究中，只有1987年发现的铜氧化合物超导体打破了这一极限，被称为高温超导体。最近，在铁基磷族化合物中发现的超导电性其超导临界温度可达55K，同样突破了传统理论预言的麦克米兰极限。这是第一个非铜基的高温超导体，掀起了高温超导研究的又一次热潮。 铁基超导的研究进入了一个空前发展的阶段，各国都在进行这一新材料的研究，铁基超导体薄膜研究进展与铁基超导体大同位素效应就是其中的热点。 从2008年新的铁基高温超导体发现以来，铁基超导薄膜的研究进展相对缓慢。这是因为较难精确控制人们所需要的亚稳相中的多元素配比、以及多种热力学相之间的互相竞争。由于元素配比和不同热力学相竞争所导致的较少量的杂质，在块状材料的合成中有时可以接受，但对低维的薄膜材料却不能允许。迄今已发现四种主要晶体结构的铁基超导体，包括含砷或磷（chalcogens）的1111相、122相、111相，以及含氧硫族元素（pnictogens）的11相。它们都具有超导的Fe-X （X为As、P、Se、S或Te等）层，且前三类超导体中这些层由La-O等隔离层隔开，而超导的11相FeSe、Fe(Se,Te)只有Fe-X层，晶体结构最简单。目前人们只得到了11相的单相、外延、超导薄膜。而对含砷的铁基超导体而言，经过近两年的探索，仍未能得到单相的超导薄膜。 中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)超导实验室的曹立 新副研究员带领博士生韩烨、李位勇，与相关科研人员合作，在国际上率先制备出单相的外延FeSe超导薄膜（第十届全国超导薄膜和超导电子器件学术研讨会，大连，2008年10月11日-15日），率先发表文章（Journal of Physics: Condensed Matter 21, 235702, 2009），并申请了国家专利。 此后，他们又系统研究了FeSe 、Fe(Se,Te)以及FeTe薄膜，他们发现FeTe 母体在薄膜状态下超导，转变温度13 K，接近Fe(Se,Te)固溶体所能达到的最高值，远高于FeSe薄膜的超导转变温度。而到目前为止，FeTe块材在常压和高压状态下都没有发现超导。人们普遍认为铁基超导电性与自旋密度波密切相关，实验发现高压下自旋涨落在FeSe中明显增强而且超导转变温度提高到37 K；同时，理论计算表明FeTe比FeSe有更强的自旋涨落并可能有更高的超导转变温度。但是实验上FeTe并没有在高压下观察到预期的现象。曹立新等人注意到，在超导的FeTe薄膜中，晶格在生长平面内不是被压缩，而是被拉伸，类似于一种“负压力效应”。同时他们发现，在非超导的FeTe块材中70 K左右出现的结构和自旋涨落的一级相变，在超导薄膜中被明显弱化。 图1 在4种不同基片上沉积生长的FeTe超导薄膜的X射线衍射图谱，32个薄膜的c-轴晶格常数，以及薄膜中Fe-Te-Fe键角的变化情况。可以看出，超导的FeTe薄膜表现出较小的c-轴和较大的a-轴晶格常数以及显著增大的 Fe-Te-Fe键角。