铁基高温超导体的研究进展及展望
2008年 第53卷 第19期: 2265~2273《中国科学》杂志社
SCIENCE IN CHINA PRESS 评述
铁基高温超导体的研究进展及展望
方磊, 闻海虎*
中国科学院物理研究所超导国家重点实验室, 北京 100190
*联系人, E-mail: hhwen@https://www.docsj.com/doc/c317442620.html,
2008-07-21收稿, 2008-09-03接受
摘要自从2008年2月末F掺杂的LaFeAsO被报道有26 K的超导电性后, 基于此体系材料的超导转变温度在短短几个月中被迅速地提高到55 K, 很多新超导体被发现, 同时人们对具有更高临界转变温度的新超导材料充满希望. 本文简要地回顾了这种体系中材料的探索、制备以及设计, 另外在理论和实验上对其超导机理的认识也给予了介绍和总结. 最后基于目前的实验数据, 对铁基超导体和铜氧化物高温超导体的重要物理参数进行了比较, 同时展望了这种新超导体的应用前景. 关键词
铁基超导体
超导转变温度ZrCuSiAs结构配对对称性
超导是一种宏观量子现象, 费米面上动量相反的电子配成对, 同时建立长程的位相相干进而发生凝聚, 其结果是超导体在临界温度下电阻的消失(零电阻)和对磁力线的排斥(完全抗磁性). 在正常金属中, 电子在一个充满各种振动的背景中运动, 最普通的是晶格的振动. 晶格的振动模可以被一种称为“声子”的元激发进行描述. 电子和声子碰撞后损失了动能进而导致能量的损耗. 这也就是正常金属在有限温度下电阻的来源. 然而在零温极限下所有的振动模式都停止了(不计量子涨落), 所以一个干净的系统中能量的损耗和电阻率都是为零的. 对于一个超导体而言, 费米面上的电子两两吸引形成束缚对, 这种束缚的电子对被称为库珀对. 库珀对服从玻色统计, 在临界温度(T c)下发生凝聚. 这种凝聚态具有很长的相干长度, 因而对晶格振动导致的局域散射不敏感, 所以输运上并不损耗能量, 电阻率可以在较高温度(T c以下)保持为零. 与此同时, Ⅱ类超导体具有在很高的磁场下承载巨大电流密度的优越性能, 人们因此对高临界温度的新超导体充满了期望.
人类寻找新超导体的历史已经持续将近100年, 在最初的几十年中, 新超导体的探索主要集中在单元素材料和多元素合金上. 然而这些材料的超导转变温度不超过23 K(Nb3Ge)[1]. 一个重大的突破发生在1986年底, 在IBM Zurich工作的Bednorz和Muller[2]发现铜氧化物LaBaCuO的超导转变温度高于30 K. 自此寻找更高T c的超导体的浪潮席卷全世界, 在短短的几年中, 铜氧化物超导转变温度被提升到134 K(常压)和164 K(高压). 然而铜氧化物超导体的相干长度非常短, 各向异性度很高, 又因为是陶瓷, 所以材质很脆, 这些不利因素都妨碍了它在工业上大规模的应用. 所以, 超导界的科学家们一直希望发现另外一种非铜氧基的高温超导体, 并且这种超导体具备更优异的性质.
转机发生在2008年的2月末, 日本东京工业学院Hosono教授的研究小组发现在母体材料LaFeAsO 中掺杂F元素可以实现26 K的超导电性[3]. 此类母体材料的研究历史可以追溯到1974年美国杜邦公司Johnson等人[4]在寻找新的功能材料中的工作. 随后, 一个德国的研究组合成了系列的具有同样ZrCuSiAs 结构的新材料[5]. 这些新材料被取名为四元磷氧化物LnOMPn(Ln=La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy; M=Mn, Fe, Co, Ni; Pn=P, As). 图1是LaFeAsO的基本结构. 这个体系空间群为P4/nmm, 具有四方的层状结构, 在c方向上以—(LnO)2-(MP)2-(LnO)2—形式交替堆砌, 一个单胞中有两个分子LnOMP. 对于母体材料而言, 层和层之间电荷是平衡的, 例如, (LnO)+1和(MP)?1的电荷是平衡的. 由于四元磷氧化物LnOMPn 中的一些材料在低温下是超导体,因此
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这个体系构建了铜氧化物外的另一个层状超导体家族[6,7]. 在Hosono 小组发现LaFeAsO 1
?x F x (x =0.05~ 0.12)具有26 K 的转变温度后[3], 新的一轮寻找高温超导材料的浪潮再次到来.
图1 LaFeAsO 的原子结构图
LaFeAsO 属于ZrCuSiAs 结构, 在c 方向—(LaO)2-(FeAS)2-(LaO)2- (FeAs)2—相互交叠进而构成一个典型的层状化合物. 铁离子排布成一个四方结构, 近邻的铁离子距离2.853 ?, 对角的铁离子距离
3.97 ?
1 追寻更高T c
在Hosono 小组的工作发表后的很短时间, 中国科学院物理研究所的王楠林小组、闻海虎小组和美国橡树岭国家实验室的Mandrus 小组, 分别独立地制备出超导温度26 K 的LaFeAsO 1?x F x 并作了系统的输运测量[8~10]. 数据揭示LaFeAsO 1?x F x 的载流子为电子型而且载流子密度很低, 这些性质和铜氧化物高温超导体都很类似. 随即不同小组追寻更高超导转变温度的竞争拉开序幕. 大部分的研究进展都以非正式发表的形式及时刊登在美国Los Alamos 国家实验室的免费电子资源平台上(https://www.docsj.com/doc/c317442620.html,/list/cond-mat. supr-con/). Takahashi 等人[11]利用高压技术(3 GPa)把LaFeAsO 0.89F 0.11的转变温度从26 K 提高到43 K. 2008年3月20日闻海虎小组报道了利用二价的Sr 代替部分三价的La(空穴掺杂), La 1?x Sr x FeAsO 可以实现25 K 的超导转变, 从而否定了Hosono 小组关于空穴掺杂在铁基母体中不能实现超导的结论[12]. 几天后, 中国科学技术大学陈仙辉小组报道了SmFeAs- O 0.85F 0.15中实现43 K 的超导电性[13]. 几乎同一时间中国科学院物理研究所的王楠林小组[14]
发现41 K 超导体CeFeAsO 1?x F x , 赵忠贤小组[15]报道了接近或超过50 K 的超导体NdFeAsO 0.85F 0.15和PrFeAsO 0.85F 0.15. 在追逐更高T c 的激烈竞争中, 人们发现高压技术合成样品
是效率较高的, 例如, 低于 2 h 的样品烧结时间以及高压导致F 的有效掺杂. 高压技术的应用可以很容易实现高的超导转变温度, 稀土金属Ce, Pr, Nd, Sm, Eu 和Gd 的铁基超导体基本都可以达到50~55 K [16]. 另外, 赵忠贤和任治安等人认识到由于名义上的化学计量比的F 含量在烧结过程中可能丢失, 铁基超导体中氧缺位实际上是存在的. 因此, 任治安等人利用高压技术直接合成了无氟缺氧的LnFeAsO 1?x , 发现超导转变温度达到了55 K, 从而证实了他们的氧位缺失导致超导的观点[17]. 但必须说明的是, 常压合成的无氟缺氧LnFeAsO 1?x 并不超导, 即使样品很纯净, 也没有任何超导迹象出现[18]. 一种可能性是此类缺氧的相是一个亚稳相, 在常压下合成出来的实际上是不缺氧的相. 此外, 曹光汉和许祝安小组还发现利用Th 替换Gd 的方法在Gd 1?x Th x FeAsO 中观察到56 K 的超导电性[19]. 同时他们在Tb 1?x Th x FeAsO 中也观察到超过50 K 的超导电性[20]. 最近利用高压技术, 重稀土Tb 和Dy 的铁基超导体也实现了40 K 的高温超导电性[21]
. 在图2中, 我们给出了超导转变温度和发现时间的关系曲线, 可以很清楚地发现超导转变温度随时间上升得非常快, 同时铁基超导体的临界温度能否超过液氮温度77 K, 也给人们很大的想象空间.
在探寻具有更高转变温度的超导体的时候, 有几种可能的途径. 第一个也是最直接的办法就是合成一个单胞中有多个FeAs 层. 这个想法来自铜氧化物超导体, 因为两个体系的上临界场都特别高, 从而配对势很强, 但超流密度却很低[8~10]. 所以按照提高铜氧化物超导温度的思路, 只要超导转变由相位涨落控制而不受配对强度影响的话, 多层可以产生更高的超流密度. 然而必须指出的是, 铁基超导体的位相涨落并不是特别的强, 至少最优掺杂的样品是这样. 能斯特效应的测量确实发现在超导转变温度以上能斯特效应很弱, 而且扩展的温区只有10 K 以内, 确实说明此类材料中的相位涨落很弱[22]. 闻海虎小组[23,24]最近率先测量了NdFeAsO 0.82F 0.18单晶的上临界磁场和超导态电阻随磁场的各向异性, 发现各向异性度Г = (m c /m ab )1/2小于5或者6. 但对低掺杂的样品的各向异性度和配对能隙的研究至今没有报道, 如果没有比最佳掺杂提高很多, 反而像BCS 型超导体要求[25]的那样2Δsc /k B T c ≈4, 那么利用多层来提高超导转变温度的可能性就大大受到限制. 但不管怎样, 一种新的结
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图2 铁基超导体的发现时间和超导转变温度的关系图(2008年6月15日以前)
白色的圆点代表电子型超导体, 由F掺杂或者氧缺位所致. 黑色的原点代表空穴型超导体. 具有更高超导转变温度的
新超导体是值得期待的
构往往导致配对强度和费米面上态密度的改变, 从
而多层系统的T c可以随机地增大或者减小.
第二个寻找高T c的途径就是通过元素替代来合
成新材料. 目前为止, 并没有直接的解释为什么FeAs
系统中的T c要高于NiAs或者FeP系统, 然而探寻不含
As的超导体是物有所值的, 毕竟As带有毒性. 如果坚
持以FeAs为基的话, 空穴掺杂也许是另外一个重要
的方向. 按照闻海虎小组的观点, 空穴掺杂可以导致
超导电性[12], 同时T c的变化随着空穴或者电子的掺
杂量是基本对称的. 这个观点的提出在开始遇到很
大阻力, 但是随着时间的推移, 逐渐被实验事实所支
持. 一个类似的结果就是Hosono小组报道的LaFePO
中实现了电子掺杂(F替代O)和空穴掺杂(Ca替代La),
但该文作者把Ca掺杂提高T c的结果归于晶格的收缩
而不是能带的填充[26]. 最近闻海虎小组又成功制备
了LaNiAsO1?x F x和La1?x Sr x NiAsO体系[27], 发现T c的改
变随着空穴或者电子的掺杂量也是基本对称的. 在
Sr掺杂的样品中, T c随着晶格常数的增加而单调上升,
事实上Sr2+的离子半径(0.112 nm)大于La3+的离子半径
(0.106 nm), 所以在不考虑结构畸变的情况下, 晶格
应该有所膨胀. 关于ZrCuSiAs (1111)结构中可以利用
空穴导致超导电性, 目前只有闻海虎小组有报道. 也
有报道称,可能是氧缺位导致超
导[28]. 然而, 闻海虎等人的数据表明, 只要二价金属
原子Sr等被有效掺到晶格位置, 就会出现超导[29]. 这
方面的结论需要更多研究组工作的确认, 相信不久
就会有最终结论. 最近, Rotter等人用K+替代Ba2+离
子, 发现(Ba0.6K0.4)Fe2As2中存在38 K的超导电性[30],
这是FeAs基材料中空穴掺杂导致超导的进一步例证.
其母相BaFe2As2从电阻率随温度的变化关系上看是
一个坏金属, 在140 K附近有一个自旋密度波反常,
这些性质非常类似于零掺杂的LnFeAsO的电输运特
性. 总的来说, Rotter等人的工作很明确地证实了闻
海虎小组早期提出的空穴掺杂导致超导的观点[12].
因而从这个方面而言, 通过空穴掺杂寻找新超导体
仍有广阔天地.
2材料的合成
为了对FeAs基超导体物理性质有准确及深入的
认识, 高质量的样品是不可或缺的. 目前为止, 国际
上已经有很多小组合成出接近单相的LnFeAsO1?x F x
(Ln=La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd[31], Eu, Tb, Dy, Gd/Th). 制
备样品的主要途径就是化学固相反应, 固相反应合
成可以一步或者分步完成, 所谓一步法就是把金属
单质和其他化合物按照化学计量比称量研磨和烧结,
而分步法就是先制备出砷化稀土和砷化铁, 再和其
他所需化合物按照化学配平称量研磨和烧结, 如闻
海虎小组初期采用的两步法合成单相样品的工艺就
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是行之有效的[9]. 不管一步还是分步合成样品, 原料需密封在石英管中烧结, 烧结温度在1150~1260℃之间. 由于稀土元素很容易被氧化, 研磨和压片的过程必须在充满保护气体的手套箱中进行. 另外, 砷单质和其化合物都是有毒的, 所以任何涉及砷的材料制备过程都必须严格控制在手套箱中以保护科研人员的健康. 第二种制备材料的方法就是前面提到的高压合成技术, 这种方法的优点就是元素反应迅速而且非常高效, 但由于反应时间过短, 化学合成不充分, 有杂相存在, 如FeAs等. 第三种获得纯相的途径就是助溶剂方法[23,24], 这种方法的优点是烧结温度比较低. 我们已经利用这种方法成功制备出系列的NdFeAsO1?x F x单相样品.
为了获得FeAs基超导体的本征性质, 单晶的制备极为重要. 尽管有很多小组在随后的时间中报道了Ba1?x K x Fe2As2单晶的生长, 但是在作者完成这篇初稿时(2008年6月15日之前), 只有两个小组报道了ZrCuSiAs(1111)相单晶样品的合成, 因此本文不再对Ba1?x K x Fe2As2晶体的制备过程进行介绍. 关于F掺杂的LnFeAsO晶体的制备, 其中一个小组利用高温高压技术(ETH, Zurich)成功制备出最大尺寸为100 μm的单晶[32], 他们利用混合的NaCl和KCl作助溶剂, 原料ReFeAsOF和助溶剂的量控制在1:1到1:3之间, 原料和助溶剂充分混合后压片放在一个BN坩埚中, 外面再用叶腊石包套密封. 实验采用的压力为3 GPa, 在1h之内升温至1350~1450℃之间,保温4~10 h, 最后用5~24 h降温来促进晶体长大. 实际上, 同期我们已经在常压下利用助溶剂方法生长出NdFeAsO1?x F x单晶, 化学计量比的FeAs, NdAs, Fe2O3, NdF3, Fe和助溶剂NaCl均匀混合(原料量:助溶剂量=1:10), 压片真空封管, 在1050℃保持5~10 d 后以3℃/h降温到NaCl的熔点800℃, 随即断电随炉降温. 所得大量片状单晶附着在NaCl单晶上,
用水
洗去NaCl即得NdFeAsO1?x F x单晶. 图3(a)显示了
图3
(a) NdFeAsO1?x F x单晶面内电阻率随温度的变化曲线, 超导转变在50 K附近, 转变宽度小于2 K; 插图显示一个20 μm的单晶, 利用聚焦离子束技术化学气象沉积了Pt膜作为四个电极; (b) 单晶的X射线衍射谱, 只有(00l)方向的布拉格峰出现, 显示了单晶很好的取向性;
(c) 不同磁场下电阻率随温度的变化关系, 超导转变起始温度点随磁场的加大而略微平移, 显示铁基超导体具有很高的上临界场(以正常态电阻率的95%作为判据); (d) NdFeAsO1?x F x单晶磁场随温度的相图, 四方格子代表T c附近上临界场斜率, 原点线是超导体的不可逆
线(以正常态电阻率的1%作为判据)
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一个NdFeAsO1?x F x单晶面内电阻率随温度的变化曲线, 超导转变在50 K附近, 转变宽度小于2 K. 图3(b)是一片单晶的X射线衍射谱, 只有(00l)方向的布拉格峰出现, 显示了单晶很好的取向性. 我们利用扫描电子显微镜进行晶体形貌测量发现单晶最大尺寸为70 μm, 如果进一步控制晶体生长的成核率以及优化成核温度, 更大尺寸的单晶是可以获得的. 不管怎样, 随着时间的推移, 生长大尺寸FeAs基超导体单晶的方法将不断涌现.
3理论和实验对超导机理的研究进展当FeAs基材料的超导电性被相继报道后, 科研工作者随即开展了大量的科学研究, 希望能找到超导电子配对的机理. 最初的理论计算发现电声耦合常数λel-ph仅为0.21[33], 这么低的λel-ph显然不足以导致55 K之高的超导转变温度. 实际上一个类似的系统LaFePO已经有了能带计算结果[34]. LaFePO的超导转变温度为4 K, 电阻率随温度的变化关系是一个金属型的(0~300 K), 这种金属型的电输运行为和零掺杂的LaFeAsO截然不同, LaFeAsO的电阻率在150 K有个很大的下降, 接近零温时电阻率反而微微上翘[3,35]. 电阻率在150 K下降的起因早期被解释为费米面上电子口袋和空穴口袋之间的叠套引起的自旋密度波(SDW), 随后中子散射实验观测到对应此SDW的布拉格峰, 这些布拉格峰对应着一种相互交错的反铁磁长程序, 这种反铁磁长程序发生在136 K, 在此温度之上的150 K体系还有一个结构相变发生, 因而可能是结构相变先发生然后反铁磁序才被建立[36], 然而很难说电子态的不稳定和材料结构的畸变究竟谁是诱因. 很快穆斯堡尔谱实验也证实了零掺杂的LaFeAsO中结构相变和SDW序的共存[37], 显示了不同测量手段所得结论的一致性. 通过F掺杂, 电阻率在150 K的突降被逐渐抹平, 电阻率在低温下的上翘也被严重压制, 当电子和空穴掺杂量到了一定程度后超导就出现了. 由于在样品制备过程中F很容易损失, 因此实际的掺杂和名义上的掺杂量是不同的, 所以超导究竟在哪个掺杂量出现还是不确定的. 此外在欠掺杂区超导转变温度是否随掺杂量单调上升也不明确. 在掺杂最优化的情况下, 单晶正常态ab面内的电阻率显示连续弯曲的特性, 这显然与理论上预言的非常规金属正常态电导线性特征相违背, 这方面一个重要的例子就是铜氧化物高温超导体最佳掺杂点的电阻超线性行为. 因此, 在铁基超导体中目前
还很难说某些掺杂点附近存在量子临界点. 据已报
道的数据, 最高的掺杂可以达到50%, 然而T c仍然维
持在55 K或者仅比55 K有轻微的提高, 所以在严重
过掺的样品中相分离可能存在, 因为F显然是不均匀
的.
最早的理论工作是关于能带的计算, 按照
Lebègue的工作[34]及Singh和Du的计算结果[38], 母相
LaFePO和LaFeAsO中Fe3d电子的5个轨道跨越了费米
能, 费米面由5个部分组成, 沿M-A方向的电子型的
费米面, 这个费米面上的电子费米速度比较高; 沿
Γ-Z方向的空穴型的费米面, 费米速度在这个区域比
较低,还有一个三维的在Z点的空穴口袋. 由于电子
型的圆柱形费米面上费米速度比较高, 因而面内电
导被认为由这部分费米面负主要责任. 然而这些理
论计算并没有考虑到电子的关联效应, Kotliar用动
力学平均场方法(DMFT)估算到电子关联能大概
为 4 eV, 并认为母体LaFeAsO是一个坏金属, 处在金
属绝缘体转变(MIT)的边缘[39]. 在考虑到电子的关联
效应以及Fe-Fe键(J1, 近邻)和Fe-As-Fe键(J2, 次近邻)
的超交换相互作用后, 理论上发现LaFeAsO的最低能
量态是反铁磁长程序[40], 电子的自旋相互交错
(interpenetrated), 在134 K进入反铁磁长程序以降低
系统的能量, 同时在较高温度还有一个结构相变. 目
前为止还不能确定反铁磁序和结构相变之间是否有
紧密的联系, 如果有联系, 那么谁起主要作用也有待
考证.
关于超导态的配对对称性的研究, 理论上已经
提出了很多可能, 限于篇幅以及个人的认识, 我们只
能挑选出一部分来加以阐述. 第一种是扩展的S波配
对, 认同这种观点的工作目前不多, 基于特殊结构的
配对势V kk′, 费米面上不同部分的能隙符号相反, 因
而超导波函数的能隙方程为扩展的S波[41,42]. 此外,
一些理论工作者关注费米面上环绕着M点的两个电
子型费米口袋, 根据第一性原理计算, 依赖于掺杂的
超导转变温度被认为受控于这两个费米口袋的轨道
能级简并度[43]. 第二种观点是能隙带有节点(node)的
配对对称性, 一些理论认为Fe的d轨道中的铁磁性的
洪特耦合将起到很重要的配对作用, 例如Dai等人[44]
提出了一个新颖的配对方式, 即组成库珀对的两个
电子来自不同的电子口袋, 导致了自旋的三重态, 轨
道的单态以及动量空间的偶宇称. 另一方面, Lee和
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Wen[45]认为洪特耦合将导致带间的p波对称, 特别是在能级劈裂的情况下, 这种配对对称性将更加稳定. 其他一些理论或多或少基于电子-空穴对称性或者假设带间带内的涨落为配对的媒介[46,47]. 由于实验上对铁基超导体的微观描述比较少, 因而对其超导配对对称性的定论还不能得到. 然而纯粹从对称性角度出发, 某些理论并不需要实验上的微观结果, 已经能推演出超导态对称性的一些普遍性质[48~50].
实验上关于FeAs基超导体能隙可能存在节点的报道最早来自闻海虎小组, 该小组利用低温比热测量超导转变温度为26 K的LaFeAsO0.9F0.1的低能元激发, 发现电子比热系数γ和外加磁场成非线性关系[25],同时点接触隧道谱也显示零偏压电导峰(ZBCP)的存在,随着温度和磁场的增加, ZBCP逐渐消失. ZBCP 通常被解释为电子隧穿一个金属和一个能隙存在节点的超导体的界面效应[51]. 随后, 两个不同小组基于μSR实验分别指出FeAs基超导体的配对对称性为脏的d波[52,53], 他们指出这个体系的超流密度很低, 超流密度符合Uemura关系, 即T c∝ρs[54]. 如果Uemura关系真能满足, 那么两层结构的FeAs基超导体将具备更高的超导转变温度. 最近, 核磁共振实验发现自旋点阵弛豫率1/T1T符合一个幂次关系(power law), 自旋点阵弛豫率测量的是超导态的准粒子态密度, 因而在超导态随着温度升高费米面上已经有准粒子态密度的存在, 因此超导态的能隙函数可能有节点存在. 作者进一步指出库珀对为自旋单态[55,56]. 但也有些测量倾向于没有节点的能隙, 例如在SmFeAs- O0.85F0.15上面的点接触隧道谱的结果认为是一个单一的S波能隙, 基本满足BCS预期[57]; 在NdFeAs-
表1 铁基超导体和铜氧化物超导体的物理性质比较
物理参数铁砷基铜氧化物评价
H c1约50~100 Oe (1 Oe = 79.5775 A/m) ~100 Oe 下临界场比较接近, 欠掺杂铜氧化物符合
Uemura定律, 铁基可能符合
H c2H c2(H||c): ~70 T
H c2(H||ab): ~300 T
由NdFeAsO0.88F0.12单晶输运数据估算而得对YBCO而言
H c2(H||c): 100 T
H c2(H||ab): 300~600 T
两个系统的上临界场都很高, 所以配对能
隙很强
各向异性
Γ=(m c/m ab)1/24~5: NdFeAsO0.88F0.12单晶T C附近
~2: Ba1?x K x Fe2As2单晶T C附近
对YBCO而言7~20;
对Bi-2212而言100
目前为止单层的铁基超导体的各向异性甚
至小于YBCO
能隙 LaFeAsOF的能隙在4 meV左右, 对(Nd, Pr,
Sm) FeAsOF而言7~10 meV, 2Δ/k B T c = 3.5~4.5,
可能有双能隙2Δ/k B T c = 8?
由于赝能隙的存在,
能隙值还不确定
铁基超导体的涨落效应可能不是很强, 但
这和低的超流密度相违背
能隙对称性自旋单态观点居多. 带节点、节线的能隙和S 波能隙观点相当. 这方面的结论目前分歧很大主要是d波配对目前多数在1111结构中的实验结果支持超
导体能隙是带节点的(也有S波实验结果),
然而在122结构中看见了S波能隙
超流密度低低铜氧化物中位相涨落很明显, 但铁基超导
体中似乎不强
相干长度对T c = 52 K的NdFeAsOF而言
ξab = 15-25 ?
ξc = 5-10 ? 对T c=90 K 的YBCO而言
ξab= 10 ?
ξc= 2~3 ?
两个体系的相干长度都很小, 对应着比较
小的凝聚能钉扎势
穿透深度λab = 1000-2000 ?
λc = 3000-5000 ? 对YBCO而言
λab = 1000~2000 ?
λc = 3000~6000 ?
两个系统的λ都很大, 显示低的超流密度
母体性质反铁磁或者自旋密度波序, 磁矩0.3~1 μB反铁磁长程序, 磁矩0.5
μB, 交换关联能J为0.13
meV 二个体系的共同之处是反铁磁序的压制可以诱导超导的出现
能带多带空穴掺杂的材料是单带,
电子掺杂的材料是多带铁基超导体更类似于电子型的铜氧化物超导体
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O0.9F0.1单晶上的穿透深度测量就倾向于超导序参量是不带节点的弱各向异性的S波[58]; 另外, NdFeAs- O0.9F0.1单晶上的角分辨光电子能谱测量发现在Γ点的空穴型费米面在超导转变温度以下有完全的能隙打开, 因而超导序参量是各向同性的S波或者是各向异性的S波[59]. 需要指出的是, 作者并没有说明另外两个电子型费米面上的能隙分布如何, 毕竟电子型费米面对正常态输运也起重要作用, 所以序参量S波对称的观点还有待更好的实验数据来证实. 总之从目前的实验数据而言, 单层的FeAs基超导体(ZrCuSiAs 结构)配对对称性d波的可能性比较大, 但还没有定论. 然而, 在BaFe2As2结构中, 最近的角分辨光电子能谱等数据表明S波配对对称性的可能性较大[60]. 鉴于此类超导体具有极其复杂的费米面构成, 因此关于超导能隙的对称性的定论尚需时日.
4 铁砷基超导体(ZrCuSiAs结构)和铜氧化物超导体物性的简单比较
在表1中我们对铁基超导体和铜氧化物超导体的物理性质做了一个初步的比较, 所有的物理参数均来自于已发表的或者刊登在arXiv数据库上以及我们自己测量的结果.
比较表1所列的物性参数, 我们可以发现铁基超导体和铜氧化物超导体有很多类似之处. 然而目前为止还很难说两者的超导配对机理是相同的, 因此基于单晶样品的详实可靠的数据是必需的.
5结论与展望
很明显, 铁基超导体为探索超导体提供了一个新的平台, 同时它的物理性质也可能是非常规的. 高的上临界场、较小的各向异性和更大的相干长度(相对铜氧化物超导体而言)保证了这种材料的应用潜力. 图3(d)中我们给出了单晶的相图, 可以很清楚地发现它的临界场已经远远超过了MgB2, 因而铁基超导体在工业应用上有很大潜力. 在机理方面, 对于所有欠掺杂的样品而言, 反铁磁序是否是一个共同的特征是非常值得探寻的, 进一步来说, 反铁磁涨落对超导是否有影响将非常重要. 下一步从单晶样品上获得可靠数据将对阐明费米面的形状以及费米面随掺杂的演化, 及超导机理问题非常重要. 沿着空穴掺杂、新结构或者多层的思路去探索新材料, 可能会发现具有更高T c的新超导体.
编后语此文的主体部分是2008年6月15日前完成的, 因此它主要反映的是此前的信息. 随后的一些重要工作可能未能够反映出来, 请见谅.
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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
高温超导体及其研究近况
高温超导体及其研究近况 姓名:高卓班级:材料化学09-1 学号:200901130805 所谓超导,是指在一定温度、压力下,一些金属合金和化合物的电阻突然为零的性质.利用此次性质做成的材料称为超导材料. 超导材料按其化学组成可分为：元素超导体，合金超导体，化合物超导体。近年来，由于具有较高临界温度的氧化物超导体的出现，有人把临界温度Tc达到液氮温度（77K）以上的超导材料称为高温超导体，上述元素超导体，合金超导体，化合物超导体均属低温超导体。以下就高温超导体作一个简要介绍。 一材料特点 自1964年发现第一个超导体氧化物SrTiO3以来，至今已发现数十种氧化物超导体。这些氧化物超导体具有如下共同的特征：（1）超导温度相对而言比较高，但载流子浓度低；（2）临界温度Tc随组分成单调变化，且在某一组分时会过渡到绝缘态；（3）在Tc以上温度区，往往呈现类似半导体的电阻-温度关系；（４）Tc和其他超导参量对无需程度敏感。 高温超导体在结构和物性方面具有以下特征；(1)晶体结构具有很强的地维特点，三个晶格常数往往相差3-4倍；（2）输运系数（电导率、热导率等）具有明显的各向异性；（3）磁场穿透深度远大于相干长度，是第二类超导体；（4）载流子浓度低，且多为空穴型导电；（5）同位素效应不显著；（6）迈斯纳效应不完全；（7）隧道实验表明能隙存在，且为库柏型配对。氧化物超导体的这些特征，引起人们的兴趣和关注。 二发展趋势 目前,在高温超导研究领域中,各国科学家正着重进行三个方面的探索,一是继续提高Tc,争取获得室温超导体;二是寻找适合高温超导的微观机理;三是加紧进行高温超导材料与器件的研制,进一步提高材料的Jc和Tc,改善各种性能，降低成本，以适用实用化的要求。 三国内外发展现状 超导材料技术是21世纪具有战略意义的高新技术，极具发展潜力和市场前景。世界各主要国家政府纷纷制订相关计划和加大研发投资，推动基础研究和产业化发展，竞争十分激烈。 一、美国 美国能源部（DOE）早在1988年就创建了超导计划，该计划将高科技公司、国家实验室和大学结合起来，进行具有高度复杂性的高温超导技术的应用研发工作，并在此基础上于1993年底制定了超导伙伴计划（Superconductivity Partnership Initiative，SPI）。SPI是整个超导计划的一部分，目的是加速高温超导（High temperature superconductors，HTS）电力设备走进市场。DOE 在2001年9月24日宣布了新一轮的高温超导计划——SPI二期，投入总资金达1.17亿美元，支持高温超导商业化示范电缆、100MVA高温超导发电机、1000英尺、3相长距离高温超导输电电缆、高温超导变压器、高温超导核磁共振成像装置、超导飞轮储能装置、高温超导磁分离器等7个项目的研发。 2003年7月，DOE在公布的《‘Grid 2030’A National Vision for Electricity’s Second 100 Years》报告中，把高温超导技术列为美国电力网络未来30年中发展的关键技术之一。该计划制订了2010年、2020年和2030年美国在电力方
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
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
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。
高温超导实验报告
高温超导材料的特性与表征 姓名：孙淦学号：201411142030指导教师：张金星 实验日期：2016年11月24日 摘要 本实验通过借助已定标的铂电阻温度计测量并标定硅二极管正向电阻、温差热电偶电动势及超导样品的温度计。比较几种不同的温度计得到各自的电阻温度变化关系，同时由超导转变 曲线发现超导样品温度计在高温超导区域更明显的变化，并得到了高温超导转变温度的相关参 数。演示了高温超导磁悬浮实验，并完成了零场冷和场冷条件下高温超导体的压力位移曲线测 定。 关键词：高温超导、铂电阻温度计、磁悬浮、场冷、零场冷。 1引言 1911年，昂纳斯首次发现在4.2K水银的电阻突然消失的超导现象。1933年，迈斯纳发现超导体内部磁场为零的迈斯纳效应。完全导电性和完全抗磁性是超导体的两个基本特性。1957年，巴丁、库柏和施里弗根据电子配对作用共同提出了超导电性的微观理论——BCS理论。1986年，柏诺兹和缪勒发现Ba-La-Cu-O化合物具有高T c的超导特性，之后高T c超导体的研究出现了突破性进展。 超导体应用十分广泛，例如超导磁悬浮列车、超导重力仪、超导计算机、超导微波器件等，还可以用于计量标准。 本实验中通过对高温超导材料特性的测量和表征，探究金属和半导体的电阻随温度的变化以及温差电效应，了解磁悬浮的原理，掌握低温实验的基本方法。 2实验原理 2.1超导现象、临界参数及实用超导体 2.1.1零电阻现象 零电阻：温度降低，电阻变为0，称为超导电现象或零电阻现象。只发生在直流情况下，不会发生在交流情况。 超导临界温度：当电流、磁场以及其他外部条件保持为零或不影响转变温度测量的足够低值时，超导体呈现超导态的最高温度。 起始转变温度T c,onset：降温过程中电阻温度曲线开始转变的温度。 超导转变的中点温度T cm：待测样品电阻从起始转变处下降到一半时对应的温度。 完全转变温度（零电阻温度）T c0：电阻刚刚完全降到零时的温度。 1
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。
铁基超导材料制备研究进展
2009年第54卷第5期:557~568《中国科学》杂志社 SCIENCE IN CHINA PRESS 评述 铁基超导材料制备研究进展 马廷灿, 万勇, 姜山 中国科学院国家科学图书馆武汉分馆情报研究部, 武汉 430071 E-mail: matingcan@https://www.docsj.com/doc/c317442620.html, 2008-12-24收稿, 2009-01-22接受 摘要超导现象于1911年首次被发现, 此后科学家们一直都在寻找拥有更高临界温度的超导材料, 研究重点也逐渐从金属系物质转到铜氧化物. 目前, 物理学界对高温超导机制仍未形成一致看法, 研究人员希望在铜氧化物超导材料以外再找到新的高温超导材料, 以期从新的途径来破译高温超导机理.2008年初, 日本学者发现了临界温度可以达到26 K的新型超导材料——LaO1?x F x FeAs, 这一突破性进展开启了科学界新一轮的高温超导研究热潮. 随后, 科研人员在这一体系中展开了积极的实验和理论研究. 中国科研机构, 特别是中国科学院, 迅速开展了卓有成效的研究工作, 在新一轮的高温超导研究热潮中占据了重要位置. 铁基超导材料的研究正在持续升温, 新的发现层出不穷. 本文按照体系分类, 以时间顺序, 分别对铁基超导材料的四大主要研究体系(“1111”体系、“122”体系、“111”体系和“11”体系)的具体材料制备研究进展进行了分析, 比较全面地介绍了各种铁基超导材料的合成方法及其关键物理参数. 关键词 铁基超导 氧磷族元素化合物临界温度 上临界磁场 固相反应法 自熔法 20世纪最后10年中, 具有ZrCuSiAs结构的稀土过渡金属氧磷族元素化合物陆续被发现, 但研究人员并未发现其中的超导现象[1,2]. 2006年和2007年, 日本东京工业大学前沿合作科学研究中心的细野秀雄教授带领的研究小组(以下简称“细野秀雄小组”)先后发现LaOFeP[3]和LaNiPO[4]在低温下展现出超导电性, 但是由于临界温度皆在10 K以下, 并没有引起特别的关注及兴趣. 2008年1月初, 细野秀雄小组发现在铁基氧磷族元素化合物LaOFeAs中, 将部分氧以掺杂的方式用氟取代, 可使LaO1?x F x FeAs的临界温度达到26 K[5], 这一突破性进展开启了科学界新一轮的高温超导研究热潮. 我国科研机构, 特别是中国科学院, 迅速开展了卓有成效的研究工作, 在新一轮的高温超导研究热潮中占据了重要位置: 3月初, 中国科学院物理研究所王楠林研究员领导的研究小组(以下简称“王楠林小组”)很快就合成了LaO0.9F0.1-δFeAs多晶样品, 并测量了基本物理性质[6]; 3月中旬, 中国科学院物理研究所闻海虎研究员领导的研究小组(以下简称“闻海虎小组”)成功合成出第一种空穴掺杂型铁基超导材料——La1?x Sr x OfeAs[7]; 3月25日和3月26日, 中国科学技术大学陈仙辉教授领导的研究小组(以下简称“陈仙辉小组”)[8]和中国科学院物理研究所王楠林小组[9]分别独立发现临界温度超过40 K的超导体; 3月29日, 中国科学院物理研究所赵忠贤院士领导的小组(以下简称“赵忠贤小组”)发现PrO1?x F x FeAs的超导转变温度可达52 K[10]. 4月中旬, 该小组又先后发现在压力环境下合成的SmO1?x F x FeAs[11]和REFeAsO1?δ[12]超导转变温度进一步升至55 K等. 此外, 研究人员也在不断探索新型铁基超导材料的应用. 4月下旬, 中国科学院电工研究所应用超导重点实验室马衍伟研究员领带的研究小组(以下简称“马衍伟小组”)率先成功研制出超导起始转变温度达25 K的LaO1?x F x FeAs线材[13]. 在此基础上, 该小组与闻海虎小组合作又制备出超导起始转变温度高达52 K的SmO1?x F x FeAs线材[14]. 另据报道, 细野秀雄小组已经在新型铁基超导薄膜制作上取得初步成功[15]. 目前, 根据母体化合物的组成比和晶体结构, 新 https://www.docsj.com/doc/c317442620.html, https://www.docsj.com/doc/c317442620.html,557
(完整word版)高温超导材料的研究进展
高温超导材料的研究进展 程长飞20091410404 引言 2O世纪8O年代后期高温超导的发现，在全球掀起了一股“超导热”。经过2O多年的研究发展，我国高温超导技术在超导材料技术、超导强电技术和超导弱电技术三个方面取得了重大进展和突破。在众多领域中，超导技术的应用具有非常突出的优点和不可取代的作用。随着高温超导材料和低温制冷技术的迅速发展，使超导技术的应用步伐迅速加快。超导技术在电力、通信、高新技术装备和军事装备等方面的应用也十分令人向往，具有重要的战略意义。 根据第五届国际超导工业峰会预测，高温超导应用技术将在今后5～10年时间达到实用化水平，并将在2010年前后形成较大规模的产业。到2010年，全球超导产业的产值预计将达到260亿美元，到2020年将达到2 400亿美元以上。超导技术将是21世纪具有光明前景的高新技术 一、超导的基本概述和基本原理 1911年发现，但直到1957年，美国科学家巴丁、库珀和施里弗在《物理学评论》提出BCS理论，其微观机理才得到一个令人满意的解释。BCS理论把超导
，库珀对在晶格当中可以无损耗的运动，形成超导电流。在BCS理论提出的同时，博戈留波夫（Bogoliubov）也独立的提出了超导电性的 的博戈留波夫变换至今为人常用。 电子间的直接相互作用是相互排斥的库仑力。如果仅仅存在库仑 直接作用的话，电子不能形成配对。但电子间还存在以晶格振动 正是这种吸引作用导致了“库珀对”的产生。大致上，其机理如下：电 变，形成一个局域的高正电荷区。这个局域的高正电荷区会吸引自旋相反的电子，和原来的电子以一定的结合能相结合配对。在很低的温度下，这个结合能可能高于晶格原子振动的能量，这样，电子对将不会和晶格发生能量交换，也就没有电阻，形成所谓“超导”。 BCS理论而获得1972 BCS理论并无法成功的解释所谓第二 二、高温超导材料概述 对超导现象，BCS 理论给出了比较满意的解释。而在应用方面，超导现象具有很宽敞的应用空间，具有很高的应用价值。到了现代， 人们一直致力于对超导材料的研究。在1968 此时
高温超导体基本特性的测量-物理试验
高温超导体基本特性的测量 1911年，荷兰物理学家昂尼斯（H.K.Onnes）发现，利用液氮把汞冷却到4.2K左右时，水银的电阻率突然有正常的剩余电阻率减小到接近零，以后在其它的一些物质中也发现了这一现象。由于这些超导体的临界温度T C很低，人们称这些需在液氦温区运行的超导体为低温超导体。1986年6月，贝德诺（J.G..Bednorz）和缪勒（K.A.Muler）发现金属氧化物Ba-La-Cu-o 材料具有超导电性，其超导起始转变温度为35K，在13K达到零电阻，这一发现时超导体的研究有了突破性的进展，随后美中科学家分别独立地发现了Y-Ba-Cu-O体系超导体，起始温度92K以上，在液氮温区，以后的十年间，还发现其他系超导体，常压下T C最高达133K，这些T C高于液氮温度的氧化物超导体称为高温超导体。 一、实验目的 1．（利用直流测量法）测量超导体的临界温度； 2．观察磁悬浮现象； 3．了解超导体的两个基本特性—零电阻和迈斯纳效应。 二、实验仪器 测量临界温度和阻值的成套仪器、迈斯纳效应成套仪器、计算机、CASSY传感器 三、实验原理 1．零电阻现象 处于绝对零度的理想的纯金属，其规则排列的原子（晶格）周期场中的电子的状态是完全确定的，因此电阻为零。温度升高时，晶格原子的热振动会引起电子运动状态的变化，即电子的运动受到晶格的散射而出现电阻Ri。然而，通常金属中总是含有杂质的，杂质对电子的散射会造成附加的电阻。在温度很低时，例如在4.2K以下，晶格散射对电阻的贡献趋于零，这时的电阻完全由杂质散射所引起的，我们称之为剩余电阻Rr，它几乎与温度无关。所以总电阻可以近似表达为 R=Ri(T)+Rr （1） 当温度下降到某一确定Tc（临界温度）时，物质的直流电阻率转变为零的现象被称为零电阻效应。临界温度Tc是由物质自身的性质所确定参量。如果样品结构规整且纯度非常高，在一定温度下，物质由常规电阻状态急剧的转变为零电阻状态，称之为超导态。如果材料化学成分不纯或晶体结构不完整等因素的影响，超导材料由常规电阻状态转变为零电阻状态是在一定的温度间隔中发生的。如图1，我们把温度下降过程中电阻温度曲线开始从直线偏离出的温度的温度称为起始转变温度。我们将电阻缓慢地变化部分（常规电阻状态下）拟合成直线Ⅰ，将电阻急剧变化部分拟合成直线Ⅱ，直线Ⅰ与直线Ⅱ的交点所对应的电阻为正常态
超导的研究现状及其发展前景要点
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.