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2004年畢業(yè)于北京師范大學(xué)物理系，2009年在中國科學(xué)院物理所獲得理學(xué)博士學(xué)位，同年起在中國科學(xué)院物理研究所工作至今。
鐵基超導(dǎo)——凝聚態(tài)物理天空中閃耀的新星
羅會仟
2014年01月24日
在2014年1月10日國家科學(xué)技術(shù)獎勵大會上，多年空缺的國家自然科學(xué)一等獎被鐵基超導(dǎo)研究團(tuán)隊獲得。隨著新聞報道的鋪開，“鐵基高溫超導(dǎo)”一詞再次被人們所關(guān)注。自2008年凝聚態(tài)物理學(xué)領(lǐng)域掀起鐵基高溫超導(dǎo)研究熱潮以來，鐵基超導(dǎo)的科學(xué)研究已經(jīng)步入第六個年頭，發(fā)表的有關(guān)鐵基超導(dǎo)研究論文已經(jīng)數(shù)萬篇。截止到2013年2月，全世界在鐵基超導(dǎo)研究領(lǐng)域被引用數(shù)排名前20的論文中，9篇來自中國。鐵基超導(dǎo)至今仍然是凝聚態(tài)物理基礎(chǔ)研究的前沿科學(xué)之一，吸引了世界上諸多優(yōu)秀科學(xué)家的目光。為什么鐵基超導(dǎo)如此特別？它的發(fā)現(xiàn)對基礎(chǔ)物理研究有著什么樣的重要影響？中國人在鐵基超導(dǎo)洪流中起到了什么樣的角色？
這還得從神秘又奇特的超導(dǎo)體說起。1911年4月8日，荷蘭萊頓實驗室的昂尼斯等人利用他們剛剛液化的最后一種氣體——液氦研究金屬在低溫下的電阻，當(dāng)他們把金屬汞降溫到4.2 K（熱力學(xué)溫標(biāo)中0 K對應(yīng)著零下273.2攝氏度，4.2 K即相當(dāng)于零下269攝氏度）時，發(fā)現(xiàn)其電阻值突然降到儀器測量范圍的最小值之外，即可認(rèn)為電阻降為零。昂尼斯把這種物理現(xiàn)象叫做超導(dǎo)，寓意超級導(dǎo)電，他本人因此獲得了1913年的諾貝爾物理學(xué)獎。繼第一個超導(dǎo)體金屬汞被發(fā)現(xiàn)之后，人們又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了許多單質(zhì)金屬及其合金在低溫下都是超導(dǎo)體。1933年，德國物理學(xué)家邁斯納指出，超導(dǎo)體區(qū)別于理想金屬導(dǎo)體，除了零電阻外，它還具有另一種獨立的神奇特性——完全抗磁性。超導(dǎo)體一旦進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)，就如同練就了“金鐘罩、鐵布衫”一樣，外界磁場根本進(jìn)不去，材料內(nèi)部磁感應(yīng)強度為零。同時具有零電阻和抗磁性是判斷超導(dǎo)體的雙重標(biāo)準(zhǔn)，單憑這兩大高超本領(lǐng)，超導(dǎo)就具有一系列強電應(yīng)用前景。利用零電阻的超導(dǎo)材料替代有電阻的常規(guī)金屬材料，可以節(jié)約輸電過程中造成的大量熱損耗；可以組建超導(dǎo)發(fā)電機(jī)、變壓器、儲能環(huán)；可以在較小空間內(nèi)實現(xiàn)強磁場，從而獲得高分辨的核磁共振成像、進(jìn)行極端條件下的物性研究、發(fā)展安全高速的磁懸浮列車等等?？墒?，如此神通廣大的超導(dǎo)體，在人們?nèi)粘Ｉ钪袇s遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如半導(dǎo)體那么聲名遠(yuǎn)播呢？這是因為半導(dǎo)體在室溫下就能用，但超導(dǎo)體往往需要非常低的溫度環(huán)境（低于其超導(dǎo)臨界溫度），這種低溫環(huán)境一般依賴于昂貴的液氦來維持，這極大地增加了超導(dǎo)應(yīng)用的成本。解決這一問題關(guān)鍵在于尋找更高臨界溫度的超導(dǎo)體，特別是室溫超導(dǎo)體——這是所有超導(dǎo)研究人員的終極夢想。
在探索新超導(dǎo)體征途中，物理學(xué)家同時擔(dān)任著另一項重要科學(xué)任務(wù)——從微觀層面解釋為什么電子能夠在固體材料中“暢行無阻”。包括愛因斯坦、玻爾和費曼等在內(nèi)的世界上許多頂級聰明的物理學(xué)家都曾試圖完成這個任務(wù)，絕大部分都是失敗的嘗試，在等待了漫長的46年之后的1957年，常規(guī)金屬超導(dǎo)微觀理論在美國三名物理學(xué)家手上被成功建立，這個理論以他們的名字（巴丁、庫伯、施里弗）命名為BCS理論。BCS理論認(rèn)為，常規(guī)金屬合金中的自由電子除了人們熟知的庫侖排斥作用外，還存在一種較弱的吸引相互作用。因為固體材料中的原子總是在平衡位置附近不停地?zé)嵴駝?，原子核和其?nèi)部電子構(gòu)成帶正電的原子實會對“路過”帶負(fù)電的電子存在吸引相互作用，如果兩個電子運動方向相反（動量相反），那么它們各自與周圍原子實的相互作用就可以等效為它們之間存在一種弱的吸引相互作用，就像冰面上兩個舞者互相拋接球一樣，這種作用力導(dǎo)致材料中電子兩兩配對。配對后的電子對又叫庫伯對，如果所有庫伯對在運動過程中保持步調(diào)一致，那么配對電子即便受到運動阻礙也會兩兩相消，使得整個配對的自由電子群體都可以保證能量損失為零，從而實現(xiàn)零電阻狀態(tài)。盡管BCS理論如此美妙地用“電子配對、干活不累”的創(chuàng)意解決了常規(guī)金屬合金超導(dǎo)機(jī)理問題，但其創(chuàng)新大膽的思想?yún)s遲遲難以被人們所接受，直到被實驗所證實才于1972年被頒發(fā)諾貝爾物理學(xué)獎。有了理論指引，更高臨界溫度的超導(dǎo)體似乎已經(jīng)可以“按圖索驥”，然而，興奮的實驗物理學(xué)家只在三鈮化鍺合金中找到了23.2 K的超導(dǎo)，歷時60余年的超導(dǎo)探索之路，如同烏龜踱步一樣，路漫漫其修遠(yuǎn)。何處是曙光？理論物理學(xué)家再次無情地潑了一大瓢冷水——在BCS理論框架下，所有的超導(dǎo)體臨界溫度存在一個40 K的理論上限，稱作麥克米蘭極限。40 K，離300 K附近的室溫有多遠(yuǎn)，會加減法的人都知道。但，這會是一個無法逾越的障礙嗎？
實驗物理學(xué)家沒有放棄夢想，他們一直在努力。一點一滴的小驚喜在不斷引起大家的激動。研究表明，元素周期表中許多單質(zhì)在低溫下都是超導(dǎo)體，有的需要加高壓也能實現(xiàn)超導(dǎo)，這些單質(zhì)煉成合金，臨界溫度將更高，它們統(tǒng)稱為“金屬合金超導(dǎo)體”；一些金屬化合物中電子盡管顯得“很笨重”也能實現(xiàn)超導(dǎo)，被歸為“重費米子超導(dǎo)體”；C60和堿金屬的化合物甚至一些有機(jī)材料也是超導(dǎo)體，被劃為“有機(jī)超導(dǎo)體”；更令人欣喜的是，許多往往被認(rèn)為導(dǎo)電性能很差的金屬氧化物如鈦氧化物、鈮氧化物、鉍氧化物、釕氧化物、鈷氧化物等也是超導(dǎo)體。超導(dǎo)，幾乎無處不在！既然“條條大路通超導(dǎo)”，物理學(xué)家開始了更大膽的探索，他們在通常認(rèn)為是絕緣體的銅氧化物陶瓷材料中尋找可能的超導(dǎo)電性。1986年開始，曙光終于破霧而出。位于瑞士蘇黎世的IBM公司的兩名工程師柏諾茲和繆勒在鑭-鋇-銅-氧體系發(fā)現(xiàn)可能存在35 K的超導(dǎo)電性。盡管臨界溫度尚未突破40 K，但是35 K已經(jīng)是當(dāng)時所有超導(dǎo)體臨界溫度的新紀(jì)錄，為此柏諾茲和繆勒獲得了1987年的諾貝爾物理學(xué)獎。一場攀登超導(dǎo)巔峰之戰(zhàn)由此拉開帷幕，其中不乏中國人和華人科學(xué)家的身影。1987年2月，美國休斯頓大學(xué)的朱經(jīng)武、吳茂昆研究組和中國科學(xué)院物理研究所的趙忠賢研究團(tuán)隊分別獨立發(fā)現(xiàn)在釔-鋇-銅-氧體系存在90 K 以上的臨界溫度，超導(dǎo)研究首次成功突破了液氮溫區(qū)(液氮的沸點為77 K)。采用較為廉價的液氮將極大地降低超導(dǎo)的應(yīng)用成本，使得超導(dǎo)大規(guī)模應(yīng)用和深入科學(xué)研究成為可能，趙忠賢研究團(tuán)隊也因此獲得1989年國家自然科學(xué)一等獎。之后的十年內(nèi)，超導(dǎo)臨界溫度記錄以火箭般速度往上竄，目前世界上最高臨界溫度的超導(dǎo)體是汞-鋇-鈣-銅-氧體系（常壓下135 K，高壓下164 K），由朱經(jīng)武研究小組于1994年所創(chuàng)下。由于銅氧化物超導(dǎo)體臨界溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)突破了40 K的麥克米蘭極限，被人們統(tǒng)稱為“高溫超導(dǎo)體”（這里的高溫，實際上只是相對金屬合金超導(dǎo)體較低的臨界溫度而言）。很快，人們也認(rèn)識到，銅氧化物高溫超導(dǎo)體（或稱銅基超導(dǎo)體）不能用傳統(tǒng)的BCS超導(dǎo)微觀理論來描述。要獲得如此之高的臨界溫度，僅僅依靠原子熱振動作為中間媒介形成配對電子是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。進(jìn)而，人們發(fā)現(xiàn)重費米子超導(dǎo)體、有機(jī)超導(dǎo)體和某些氧化物超導(dǎo)體均不能用BCS理論來描述，盡管電子配對的概念仍然成立，但是如何配對、配對媒介和配對方式卻千奇百怪。這些超導(dǎo)體又被統(tǒng)稱為非常規(guī)超導(dǎo)體，區(qū)別于可以用BCS理論描述的常規(guī)金屬合金超導(dǎo)體。2001年，日本科學(xué)家在二硼化鎂材料中發(fā)現(xiàn)39 K的超導(dǎo)電性，這種超導(dǎo)材料中有多種類電子都參與了超導(dǎo)電子配對，又被叫做多帶超導(dǎo)體。二硼化鎂是目前為止發(fā)現(xiàn)的臨界溫度最高的常規(guī)超導(dǎo)體，距離40 K的上限僅一步之遙，但無論怎么摻雜或者加壓都不能脫離40 K這個“緊箍咒”。
高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)在當(dāng)時沉悶的超導(dǎo)研究領(lǐng)域響起一陣春雷，人們對超導(dǎo)未來的發(fā)展?jié)M懷期待。然而現(xiàn)實總是殘酷的，似乎觸手可及的室溫超導(dǎo)之夢停滯在164 K這個世界紀(jì)錄上，再也難以往上挪動半步。人們試圖在液氮溫區(qū)大規(guī)模推廣高溫超導(dǎo)強電應(yīng)用技術(shù)時，發(fā)現(xiàn)它實際上“中看不中用”。本質(zhì)為陶瓷材料的銅氧化物在力學(xué)性能上顯得脆弱不堪、缺乏柔韌性和延展性，在物理上其臨界電流密度太小，容易在承載大電流時失去超導(dǎo)電性而迅速發(fā)熱?？茖W(xué)家們經(jīng)過20余年的工藝努力，銅氧化物超導(dǎo)線圈雖然已開始步入市場，但絕大部分超導(dǎo)強電應(yīng)用還停留在常規(guī)金屬合金超導(dǎo)體上。不過銅基超導(dǎo)的弱電應(yīng)用目前發(fā)展迅速，利用其制備成的超導(dǎo)量子干涉儀是目前世界上最靈敏的磁探測技術(shù)，而用銅氧化物超導(dǎo)薄膜制備的超導(dǎo)微波器件正在走向商業(yè)化和市場化，未來世界還可能出現(xiàn)以超導(dǎo)比特為單元的量子計算機(jī)——一種基于量子力學(xué)原理的高速計算機(jī)。由于銅基超導(dǎo)體在非常規(guī)超導(dǎo)體中最為特殊，因此也具有非常重要的基礎(chǔ)研究價值，高溫超導(dǎo)電性的微觀機(jī)理，成為凝聚態(tài)物理學(xué)皇冠上的明珠之一。挑戰(zhàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)比想象中的困難，人們發(fā)現(xiàn)高溫超導(dǎo)體里很多新奇物理現(xiàn)象可能超出了目前物理學(xué)理論體系所能理解的范疇，其中最為麻煩的就是，這類材料中電子之間存在很強的相互關(guān)聯(lián)效應(yīng)，成為強關(guān)聯(lián)體系。經(jīng)過近30年的奮斗，人們對銅基超導(dǎo)體取得共識的研究結(jié)論寥寥無幾，更多的是充滿爭議和困惑。理論上來指導(dǎo)尋找更高臨界溫度超導(dǎo)體，近乎癡人說夢，而實驗物理學(xué)家只能憑經(jīng)驗和感覺來大海撈針。
2008年3月1日-5日，活躍在超導(dǎo)研究最前沿的一群中國科學(xué)家齊聚在中國科學(xué)院物理研究所，這里正在召開“高溫超導(dǎo)機(jī)制研究態(tài)勢評估研討會”，探討迷惘的高溫超導(dǎo)研究未來之路，試圖甄別銅基高溫超導(dǎo)研究的突破點。此時，同一棟樓里的超導(dǎo)實驗室和極端條件實驗室里已悄然走在了超導(dǎo)研究變革的前沿。2008年2月23日，日本西野秀雄研究小組報道了在氟摻雜的鑭-鐵-砷-氧體系中存在26 K的超導(dǎo)電性。中國科學(xué)家在得知消息的第一時間里合成了該類材料并開展了物性研究，其中中科院物理所和中國科大的研究人員采用稀土替代方法獲得了一系列高質(zhì)量的樣品，驚喜地發(fā)現(xiàn)其臨界溫度突破了40 K，優(yōu)化合成方式之后可以獲得55 K的高臨界溫度。新一代高溫超導(dǎo)家族——鐵基高溫超導(dǎo)體就此誕生，這一次從新超導(dǎo)體發(fā)現(xiàn)到臨界溫度突破麥克米蘭極限僅僅用了不到三個月的時間，新的超導(dǎo)記錄幾乎以天為單位在不斷更新。在隨后幾年里，新的鐵砷化物和鐵硒化物等鐵基超導(dǎo)體系不斷被發(fā)現(xiàn)，典型母體如鑭-鐵-砷-氧、鋇-鐵-砷、鋰-鐵-砷、鐵-硒等，這些材料幾乎在所有的原子位置都可以進(jìn)行不同的摻雜而獲得超導(dǎo)電性。鐵基超導(dǎo)家族成員數(shù)目粗略估計有3000多種（許多還尚待發(fā)現(xiàn)），可謂是目前發(fā)現(xiàn)的最龐大超導(dǎo)家族。鐵基高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)無疑為當(dāng)時幾近低迷的高溫超導(dǎo)研究注入了一股前所未有的“強心劑”，已逾百年的超導(dǎo)研究從此煥發(fā)了新一輪的青春活力。
作為繼銅基超導(dǎo)體之后的第二大高溫超導(dǎo)家族，鐵基超導(dǎo)體具有更加豐富的物理性質(zhì)和更有潛力的應(yīng)用價值。它和銅基超導(dǎo)體存在“形似而神不似”關(guān)系，晶體結(jié)構(gòu)、磁性結(jié)構(gòu)和電子態(tài)相圖均非常類似；但是它從電子結(jié)構(gòu)角度又屬于類似二硼化鎂那樣的多帶超導(dǎo)體；其母體更具有金屬性，和具有絕緣性的銅氧化物母體截然不同（銅氧化物僅在摻雜后才出現(xiàn)金屬性）；目前已經(jīng)確認(rèn)電子配對概念仍然適用，在配對媒介上可能和銅基超導(dǎo)體類似，但配對方式上卻更接近于傳統(tǒng)金屬超導(dǎo)體；總體來說，鐵基超導(dǎo)體更像是介于銅基超導(dǎo)體和傳統(tǒng)金屬超導(dǎo)體之間的一個橋梁。通過多年來在銅基超導(dǎo)研究中的經(jīng)驗和技術(shù)積累，鐵基超導(dǎo)研究的進(jìn)度已經(jīng)大大加速，目前六年來的研究成果幾乎可以和銅基超導(dǎo)近30年以來的研究成果相匹敵，在某些方面甚至超越了之前高溫超導(dǎo)研究的認(rèn)識。有了這道橋梁，高溫超導(dǎo)研究之路已經(jīng)不再像是空中樓閣，而是“有徑可循”了，高溫超導(dǎo)的微觀機(jī)理的神秘面紗正在緩緩揭開。在應(yīng)用方面，鐵基超導(dǎo)體由于其金屬性，更加容易被加工成線材和帶材，而其可承載的上臨界磁場/臨界電流和銅基超導(dǎo)體相當(dāng)，甚至有可能更優(yōu)越。當(dāng)然，制備鐵基超導(dǎo)材料大部分情況下需要砷化物和堿金屬或堿土金屬，具有較強的毒性同時又對空氣異常敏感，這對材料制備工藝和使用安全方面提出了更高的要求。在超導(dǎo)的弱電應(yīng)用方面，鐵基超導(dǎo)還處在剛剛起步階段，相對已經(jīng)趨于成熟的銅基超導(dǎo)弱電應(yīng)用還有很大差距。從材料角度來說，鐵基超導(dǎo)體更具有靈活多變性，這讓高溫超導(dǎo)的研究空間大大得到了拓展，許多實驗現(xiàn)象也可以在不同體系進(jìn)行比照研究，從而得出更加普適的結(jié)論。如前所述，幾乎在鐵基母體材料任何一個原子位置進(jìn)行不同價位甚至同價位的元素?fù)诫s都可以實現(xiàn)超導(dǎo)電性，不同體系材料超導(dǎo)電性隨著外界壓力演變也有所不同。更有趣的是，日本科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)用各種酒泡過的母體材料也可以超導(dǎo)，真是“醉翁之意不在酒，在乎超導(dǎo)之間也”！鐵基超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)極大地鼓舞了超導(dǎo)材料探索者的信心，正如發(fā)現(xiàn)二硼化鎂的日本科學(xué)家豪言：“我相信世界上所有材料都有可能成為超導(dǎo)體，只要引入足夠多載流子或足夠強的壓力或足夠低的溫度等外界條件，就有希望實現(xiàn)超導(dǎo)！”
在含鐵的化合物中尋找到高溫超導(dǎo)電性本身就是一件突破常規(guī)的事情，因為通常認(rèn)為鐵離子帶有磁性，會極大地破壞超導(dǎo)。出乎意料的是，鐵砷化物母體中摻雜磁性離子如鈷和鎳反而會誘發(fā)超導(dǎo)電性，鐵基超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)證明磁性和超導(dǎo)其實完全可以“和平共處”，新超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)往往就在打破常規(guī)之處。新超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)需要機(jī)遇、運氣和長期經(jīng)驗積累，日本的西野秀雄原先并不是研究超導(dǎo)的，他的研究組一直致力于尋找透明導(dǎo)電氧化物材料，并于2006年意外發(fā)現(xiàn)鑭-鐵-磷-氧材料中存在3 K左右的超導(dǎo)電性，之后意識到鑭-鐵-砷-氧化合物中同樣可能存在超導(dǎo)電性，通過摻雜氟，他們才獲得了26 K的新超導(dǎo)體。新材料探索過程很難存在百分百的原始創(chuàng)新，實際上，早在1990年，鑭-鐵-磷-氧材料就已經(jīng)被德國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，而在1995年類似的鐵磷化物、鈷磷化物和釕磷化物等也被相同研究組所報道，到了2000年，具有同樣晶體結(jié)構(gòu)的稀土-鐵砷化物也被成功制備，只是遺憾的是，他們沒有進(jìn)一步用氟替代摻雜，與新超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)只能擦肩而過，而西野秀雄等人準(zhǔn)確地把握住了這個機(jī)會。類似地，中國科學(xué)家利用稀土替代效應(yīng)而成功突破麥克米蘭極限，正是得益于于常年研究超導(dǎo)的敏銳洞察力，又有多年來實驗設(shè)備和人才方面的儲備，才能在第一時間把握重要機(jī)遇。
正是由于中國科學(xué)家的努力推動，鐵基超導(dǎo)步入高溫超導(dǎo)新家族，才極大地吸引了全世界研究者的目光。在已發(fā)現(xiàn)的10種左右鐵基超導(dǎo)體系中，中國科學(xué)家獨立發(fā)現(xiàn)了其中4種。更難能可貴的是，在鐵基高溫超導(dǎo)的物性和機(jī)理研究中，中國人和華人科學(xué)家做出了許多世界一流的成果。在近兩年，中國科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)高溫超導(dǎo)其實并不需要太復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，只需在特殊基片上生長薄薄一層鐵-硒原子層就可以實現(xiàn)60 K以上的高溫超導(dǎo)，說明另一種模式——界面超導(dǎo)也可能實現(xiàn)高溫超導(dǎo)電性。正如美國《科學(xué)》雜志報道的一樣，“中國如洪流般不斷涌現(xiàn)的研究結(jié)果標(biāo)志著在凝聚態(tài)物理領(lǐng)域，中國已經(jīng)成為一個強國?！辫F基超導(dǎo)在2008年被多家媒體評為世界十大科學(xué)進(jìn)展之一，中國鐵基超導(dǎo)研究團(tuán)隊獲得了2009年度“求是杰出科學(xué)成就集體獎”和2013年度國家自然科學(xué)一等獎。可以說，鐵基超導(dǎo)的研究加速了高溫超導(dǎo)機(jī)理的解決進(jìn)程，使得人們完全有理由相信在不久的將來，室溫超導(dǎo)可以被實現(xiàn)并被廣泛應(yīng)用。到那時，我們生活的世界將出現(xiàn)翻天覆地的變化，其中就有一大部分來自中國科學(xué)家們的貢獻(xiàn)。
這還得從神秘又奇特的超導(dǎo)體說起。1911年4月8日，荷蘭萊頓實驗室的昂尼斯等人利用他們剛剛液化的最后一種氣體——液氦研究金屬在低溫下的電阻，當(dāng)他們把金屬汞降溫到4.2 K（熱力學(xué)溫標(biāo)中0 K對應(yīng)著零下273.2攝氏度，4.2 K即相當(dāng)于零下269攝氏度）時，發(fā)現(xiàn)其電阻值突然降到儀器測量范圍的最小值之外，即可認(rèn)為電阻降為零。昂尼斯把這種物理現(xiàn)象叫做超導(dǎo)，寓意超級導(dǎo)電，他本人因此獲得了1913年的諾貝爾物理學(xué)獎。繼第一個超導(dǎo)體金屬汞被發(fā)現(xiàn)之后，人們又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了許多單質(zhì)金屬及其合金在低溫下都是超導(dǎo)體。1933年，德國物理學(xué)家邁斯納指出，超導(dǎo)體區(qū)別于理想金屬導(dǎo)體，除了零電阻外，它還具有另一種獨立的神奇特性——完全抗磁性。超導(dǎo)體一旦進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)，就如同練就了“金鐘罩、鐵布衫”一樣，外界磁場根本進(jìn)不去，材料內(nèi)部磁感應(yīng)強度為零。同時具有零電阻和抗磁性是判斷超導(dǎo)體的雙重標(biāo)準(zhǔn)，單憑這兩大高超本領(lǐng)，超導(dǎo)就具有一系列強電應(yīng)用前景。利用零電阻的超導(dǎo)材料替代有電阻的常規(guī)金屬材料，可以節(jié)約輸電過程中造成的大量熱損耗；可以組建超導(dǎo)發(fā)電機(jī)、變壓器、儲能環(huán)；可以在較小空間內(nèi)實現(xiàn)強磁場，從而獲得高分辨的核磁共振成像、進(jìn)行極端條件下的物性研究、發(fā)展安全高速的磁懸浮列車等等?？墒?，如此神通廣大的超導(dǎo)體，在人們?nèi)粘Ｉ钪袇s遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如半導(dǎo)體那么聲名遠(yuǎn)播呢？這是因為半導(dǎo)體在室溫下就能用，但超導(dǎo)體往往需要非常低的溫度環(huán)境（低于其超導(dǎo)臨界溫度），這種低溫環(huán)境一般依賴于昂貴的液氦來維持，這極大地增加了超導(dǎo)應(yīng)用的成本。解決這一問題關(guān)鍵在于尋找更高臨界溫度的超導(dǎo)體，特別是室溫超導(dǎo)體——這是所有超導(dǎo)研究人員的終極夢想。
實驗物理學(xué)家沒有放棄夢想，他們一直在努力。一點一滴的小驚喜在不斷引起大家的激動。研究表明，元素周期表中許多單質(zhì)在低溫下都是超導(dǎo)體，有的需要加高壓也能實現(xiàn)超導(dǎo)，這些單質(zhì)煉成合金，臨界溫度將更高，它們統(tǒng)稱為“金屬合金超導(dǎo)體”；一些金屬化合物中電子盡管顯得“很笨重”也能實現(xiàn)超導(dǎo)，被歸為“重費米子超導(dǎo)體”；C60和堿金屬的化合物甚至一些有機(jī)材料也是超導(dǎo)體，被劃為“有機(jī)超導(dǎo)體”；更令人欣喜的是，許多往往被認(rèn)為導(dǎo)電性能很差的金屬氧化物如鈦氧化物、鈮氧化物、鉍氧化物、釕氧化物、鈷氧化物等也是超導(dǎo)體。超導(dǎo)，幾乎無處不在！既然“條條大路通超導(dǎo)”，物理學(xué)家開始了更大膽的探索，他們在通常認(rèn)為是絕緣體的銅氧化物陶瓷材料中尋找可能的超導(dǎo)電性。1986年開始，曙光終于破霧而出。位于瑞士蘇黎世的IBM公司的兩名工程師柏諾茲和繆勒在鑭-鋇-銅-氧體系發(fā)現(xiàn)可能存在35 K的超導(dǎo)電性。盡管臨界溫度尚未突破40 K，但是35 K已經(jīng)是當(dāng)時所有超導(dǎo)體臨界溫度的新紀(jì)錄，為此柏諾茲和繆勒獲得了1987年的諾貝爾物理學(xué)獎。一場攀登超導(dǎo)巔峰之戰(zhàn)由此拉開帷幕，其中不乏中國人和華人科學(xué)家的身影。1987年2月，美國休斯頓大學(xué)的朱經(jīng)武、吳茂昆研究組和中國科學(xué)院物理研究所的趙忠賢研究團(tuán)隊分別獨立發(fā)現(xiàn)在釔-鋇-銅-氧體系存在90 K 以上的臨界溫度，超導(dǎo)研究首次成功突破了液氮溫區(qū)(液氮的沸點為77 K)。采用較為廉價的液氮將極大地降低超導(dǎo)的應(yīng)用成本，使得超導(dǎo)大規(guī)模應(yīng)用和深入科學(xué)研究成為可能，趙忠賢研究團(tuán)隊也因此獲得1989年國家自然科學(xué)一等獎。之后的十年內(nèi)，超導(dǎo)臨界溫度記錄以火箭般速度往上竄，目前世界上最高臨界溫度的超導(dǎo)體是汞-鋇-鈣-銅-氧體系（常壓下135 K，高壓下164 K），由朱經(jīng)武研究小組于1994年所創(chuàng)下。由于銅氧化物超導(dǎo)體臨界溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)突破了40 K的麥克米蘭極限，被人們統(tǒng)稱為“高溫超導(dǎo)體”（這里的高溫，實際上只是相對金屬合金超導(dǎo)體較低的臨界溫度而言）。很快，人們也認(rèn)識到，銅氧化物高溫超導(dǎo)體（或稱銅基超導(dǎo)體）不能用傳統(tǒng)的BCS超導(dǎo)微觀理論來描述。要獲得如此之高的臨界溫度，僅僅依靠原子熱振動作為中間媒介形成配對電子是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。進(jìn)而，人們發(fā)現(xiàn)重費米子超導(dǎo)體、有機(jī)超導(dǎo)體和某些氧化物超導(dǎo)體均不能用BCS理論來描述，盡管電子配對的概念仍然成立，但是如何配對、配對媒介和配對方式卻千奇百怪。這些超導(dǎo)體又被統(tǒng)稱為非常規(guī)超導(dǎo)體，區(qū)別于可以用BCS理論描述的常規(guī)金屬合金超導(dǎo)體。2001年，日本科學(xué)家在二硼化鎂材料中發(fā)現(xiàn)39 K的超導(dǎo)電性，這種超導(dǎo)材料中有多種類電子都參與了超導(dǎo)電子配對，又被叫做多帶超導(dǎo)體。二硼化鎂是目前為止發(fā)現(xiàn)的臨界溫度最高的常規(guī)超導(dǎo)體，距離40 K的上限僅一步之遙，但無論怎么摻雜或者加壓都不能脫離40 K這個“緊箍咒”。
2008年3月1日-5日，活躍在超導(dǎo)研究最前沿的一群中國科學(xué)家齊聚在中國科學(xué)院物理研究所，這里正在召開“高溫超導(dǎo)機(jī)制研究態(tài)勢評估研討會”，探討迷惘的高溫超導(dǎo)研究未來之路，試圖甄別銅基高溫超導(dǎo)研究的突破點。此時，同一棟樓里的超導(dǎo)實驗室和極端條件實驗室里已悄然走在了超導(dǎo)研究變革的前沿。2008年2月23日，日本西野秀雄研究小組報道了在氟摻雜的鑭-鐵-砷-氧體系中存在26 K的超導(dǎo)電性。中國科學(xué)家在得知消息的第一時間里合成了該類材料并開展了物性研究，其中中科院物理所和中國科大的研究人員采用稀土替代方法獲得了一系列高質(zhì)量的樣品，驚喜地發(fā)現(xiàn)其臨界溫度突破了40 K，優(yōu)化合成方式之后可以獲得55 K的高臨界溫度。新一代高溫超導(dǎo)家族——鐵基高溫超導(dǎo)體就此誕生，這一次從新超導(dǎo)體發(fā)現(xiàn)到臨界溫度突破麥克米蘭極限僅僅用了不到三個月的時間，新的超導(dǎo)記錄幾乎以天為單位在不斷更新。在隨后幾年里，新的鐵砷化物和鐵硒化物等鐵基超導(dǎo)體系不斷被發(fā)現(xiàn)，典型母體如鑭-鐵-砷-氧、鋇-鐵-砷、鋰-鐵-砷、鐵-硒等，這些材料幾乎在所有的原子位置都可以進(jìn)行不同的摻雜而獲得超導(dǎo)電性。鐵基超導(dǎo)家族成員數(shù)目粗略估計有3000多種（許多還尚待發(fā)現(xiàn)），可謂是目前發(fā)現(xiàn)的最龐大超導(dǎo)家族。鐵基高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)無疑為當(dāng)時幾近低迷的高溫超導(dǎo)研究注入了一股前所未有的“強心劑”，已逾百年的超導(dǎo)研究從此煥發(fā)了新一輪的青春活力。
作為繼銅基超導(dǎo)體之后的第二大高溫超導(dǎo)家族，鐵基超導(dǎo)體具有更加豐富的物理性質(zhì)和更有潛力的應(yīng)用價值。它和銅基超導(dǎo)體存在“形似而神不似”關(guān)系，晶體結(jié)構(gòu)、磁性結(jié)構(gòu)和電子態(tài)相圖均非常類似；但是它從電子結(jié)構(gòu)角度又屬于類似二硼化鎂那樣的多帶超導(dǎo)體；其母體更具有金屬性，和具有絕緣性的銅氧化物母體截然不同（銅氧化物僅在摻雜后才出現(xiàn)金屬性）；目前已經(jīng)確認(rèn)電子配對概念仍然適用，在配對媒介上可能和銅基超導(dǎo)體類似，但配對方式上卻更接近于傳統(tǒng)金屬超導(dǎo)體；總體來說，鐵基超導(dǎo)體更像是介于銅基超導(dǎo)體和傳統(tǒng)金屬超導(dǎo)體之間的一個橋梁。通過多年來在銅基超導(dǎo)研究中的經(jīng)驗和技術(shù)積累，鐵基超導(dǎo)研究的進(jìn)度已經(jīng)大大加速，目前六年來的研究成果幾乎可以和銅基超導(dǎo)近30年以來的研究成果相匹敵，在某些方面甚至超越了之前高溫超導(dǎo)研究的認(rèn)識。有了這道橋梁，高溫超導(dǎo)研究之路已經(jīng)不再像是空中樓閣，而是“有徑可循”了，高溫超導(dǎo)的微觀機(jī)理的神秘面紗正在緩緩揭開。在應(yīng)用方面，鐵基超導(dǎo)體由于其金屬性，更加容易被加工成線材和帶材，而其可承載的上臨界磁場/臨界電流和銅基超導(dǎo)體相當(dāng)，甚至有可能更優(yōu)越。當(dāng)然，制備鐵基超導(dǎo)材料大部分情況下需要砷化物和堿金屬或堿土金屬，具有較強的毒性同時又對空氣異常敏感，這對材料制備工藝和使用安全方面提出了更高的要求。在超導(dǎo)的弱電應(yīng)用方面，鐵基超導(dǎo)還處在剛剛起步階段，相對已經(jīng)趨于成熟的銅基超導(dǎo)弱電應(yīng)用還有很大差距。從材料角度來說，鐵基超導(dǎo)體更具有靈活多變性，這讓高溫超導(dǎo)的研究空間大大得到了拓展，許多實驗現(xiàn)象也可以在不同體系進(jìn)行比照研究，從而得出更加普適的結(jié)論。如前所述，幾乎在鐵基母體材料任何一個原子位置進(jìn)行不同價位甚至同價位的元素?fù)诫s都可以實現(xiàn)超導(dǎo)電性，不同體系材料超導(dǎo)電性隨著外界壓力演變也有所不同。更有趣的是，日本科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)用各種酒泡過的母體材料也可以超導(dǎo)，真是“醉翁之意不在酒，在乎超導(dǎo)之間也”！鐵基超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)極大地鼓舞了超導(dǎo)材料探索者的信心，正如發(fā)現(xiàn)二硼化鎂的日本科學(xué)家豪言：“我相信世界上所有材料都有可能成為超導(dǎo)體，只要引入足夠多載流子或足夠強的壓力或足夠低的溫度等外界條件，就有希望實現(xiàn)超導(dǎo)！”
在含鐵的化合物中尋找到高溫超導(dǎo)電性本身就是一件突破常規(guī)的事情，因為通常認(rèn)為鐵離子帶有磁性，會極大地破壞超導(dǎo)。出乎意料的是，鐵砷化物母體中摻雜磁性離子如鈷和鎳反而會誘發(fā)超導(dǎo)電性，鐵基超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)證明磁性和超導(dǎo)其實完全可以“和平共處”，新超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)往往就在打破常規(guī)之處。新超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)需要機(jī)遇、運氣和長期經(jīng)驗積累，日本的西野秀雄原先并不是研究超導(dǎo)的，他的研究組一直致力于尋找透明導(dǎo)電氧化物材料，并于2006年意外發(fā)現(xiàn)鑭-鐵-磷-氧材料中存在3 K左右的超導(dǎo)電性，之后意識到鑭-鐵-砷-氧化合物中同樣可能存在超導(dǎo)電性，通過摻雜氟，他們才獲得了26 K的新超導(dǎo)體。新材料探索過程很難存在百分百的原始創(chuàng)新，實際上，早在1990年，鑭-鐵-磷-氧材料就已經(jīng)被德國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，而在1995年類似的鐵磷化物、鈷磷化物和釕磷化物等也被相同研究組所報道，到了2000年，具有同樣晶體結(jié)構(gòu)的稀土-鐵砷化物也被成功制備，只是遺憾的是，他們沒有進(jìn)一步用氟替代摻雜，與新超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)只能擦肩而過，而西野秀雄等人準(zhǔn)確地把握住了這個機(jī)會。類似地，中國科學(xué)家利用稀土替代效應(yīng)而成功突破麥克米蘭極限，正是得益于于常年研究超導(dǎo)的敏銳洞察力，又有多年來實驗設(shè)備和人才方面的儲備，才能在第一時間把握重要機(jī)遇。
正是由于中國科學(xué)家的努力推動，鐵基超導(dǎo)步入高溫超導(dǎo)新家族，才極大地吸引了全世界研究者的目光。在已發(fā)現(xiàn)的10種左右鐵基超導(dǎo)體系中，中國科學(xué)家獨立發(fā)現(xiàn)了其中4種。更難能可貴的是，在鐵基高溫超導(dǎo)的物性和機(jī)理研究中，中國人和華人科學(xué)家做出了許多世界一流的成果。在近兩年，中國科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)高溫超導(dǎo)其實并不需要太復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，只需在特殊基片上生長薄薄一層鐵-硒原子層就可以實現(xiàn)60 K以上的高溫超導(dǎo)，說明另一種模式——界面超導(dǎo)也可能實現(xiàn)高溫超導(dǎo)電性。正如美國《科學(xué)》雜志報道的一樣，“中國如洪流般不斷涌現(xiàn)的研究結(jié)果標(biāo)志著在凝聚態(tài)物理領(lǐng)域，中國已經(jīng)成為一個強國?！辫F基超導(dǎo)在2008年被多家媒體評為世界十大科學(xué)進(jìn)展之一，中國鐵基超導(dǎo)研究團(tuán)隊獲得了2009年度“求是杰出科學(xué)成就集體獎”和2013年度國家自然科學(xué)一等獎。可以說，鐵基超導(dǎo)的研究加速了高溫超導(dǎo)機(jī)理的解決進(jìn)程，使得人們完全有理由相信在不久的將來，室溫超導(dǎo)可以被實現(xiàn)并被廣泛應(yīng)用。到那時，我們生活的世界將出現(xiàn)翻天覆地的變化，其中就有一大部分來自中國科學(xué)家們的貢獻(xiàn)。
