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铁基超导研究取得系列进展
发布时间:2013-10-15文章来源:
    超导指的是某些材料温度降到临界温度以下,电阻突然消失为零的现象。作为20世纪最伟大的科学发现之一,超导体具有零电阻和完全抗磁性等一系列神奇的物理特性,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。自1911年超导被发现,在超导研究的百年历史上已有十人获得了五次诺贝尔物理学奖,在无数聪慧的科学家推动下,超导依旧不断绽放新的魅力。

图1:金属Hg在4.2K以下的零电阻态
    截止到2008年之前,人们发现的超导材料主要有四大家族:金属和合金超导体、铜氧化物超导体、重费米子超导体和有机超导体。其中1986年以来发现的铜氧化物超导体因其具有40 K(273 K对应0摄氏度,40 K即-233摄氏度,以此类推)以上的超导临界温度又称高温超导体,它的超导机理至今仍是凝聚态物理前沿研究中的一个难以解开的谜团。为了彻底揭开高温超导的面纱,人们迫切需要寻找到新的高温超导家族,以开辟更多的研究蹊径。2008年,随着日本科学家在铁砷化物中发现了26 K的超导电性,铁基高温超导研究的序幕从此被拉开,新一轮的超导研究热潮在全球范围内再次掀起。在这次热潮中,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)的多个研究组分别独立制备出铁基高温超导材料,连续刷新超导转变温度,使得铁基超导在短时间内迅速聚焦了全球学术界的目光。美国《科学》、《今日物理》等杂志相继以“新超导体将中国物理学家推向凝聚态物理研究最前沿”等为题报导了中国科学院物理研究所/凝聚态物理国家实验室(筹)研究人员在新一轮铁基超导体中所开展的富有重要影响的领先性工作,并给予高度评价。美国《科学》杂志公布了该刊评选出的2008年十大科学进展,其中铁基高温超导研究入选十大科学进展之一。“我国科学家发现铁基高温超导材料”入选2008年度中国十大科技新闻,“铁基高温超导研究取得系列重要进展”入选

图2:左图为国际著名杂志《科学》对铁基超导工作给予高度评价,指出新超导体将中国物理学家推向前列。右图为铁基高温超导研究入选2008年度《科学》杂志评选出来的十大科学进展之一

图3:《今日物理》对铁基超导体研究进行的详细追踪报道,其中多次提到中科院物理所的工作和贡献

    2008年5月10日上午,《高温超导体研究取得重要进展》重大科学成果发布会在物理所召开。会议向媒体发布了物理所近期在铁基超导体及其物理机理研究方面取得的重要进展。
    媒体报道:
    CCTV 《新超导体将中国物理学家推到世界最前沿》
    人民日报 《我国新高温超导体研究步入世界最前沿》
    人民网《物理学界热评我新超导体突破 “高温”下的低调》
    新华社 《新超导体将中国物理学家推到世界最前沿》
    中国新闻社 《科学》杂志《中国已成为凝聚态物理研究强国》
    光明日报《新超导体研究国际领先》
    光明日报《新超导材料研究怎样走到国际最前沿》
    科技日报《新超导体将中国物理学家推到最前沿》
    科学时报《中国科学家问鼎高温超导体研究前沿》
    中国科学院网站《<今日物理>追踪高温超导体研究在中国 》
    中国科学院英文网站《Progresses in iron-based High-Tc superconductors shedding light on superconductivity mechanism》


图4:CCTV对新闻发布会进行报道,左图为在物理所D楼210会议室的现场发布会,右图为中科院物理所王玉鹏所长发布新闻

    2010年至2012年间,物理所研究团队再次在铁基新超导体探索中取得突破,发现了超导转变温度接近甚至超过铁砷层状化合物且不含砷的新铁硒基超导体。在寻找新型铁基超导材料的竞赛中,物理所独立或首先发现了其中4种,占所有被发现的铁基超导材料总数的近半数,并为全球30多个科学研究机构提供高质量的样品,为铁基超导研究做出了重大贡献。

图5:目前已经发现的铁基超导体系的典型母体结构,其中“LiFeAs”、“KFe2Se2”、“Sr2VO3FeAs”、“Sr3Sc2Fe2As2O5”由中科院物理所研究团队发现。

图6:铁基超导体发现时间及其超导临界温度,不同颜色代表发现者所在国家。2008年3月左右,物理所及中国其他同行科学家们通过稀土元素替换,在短时间内将“1111”体系的超导临界温度提高到了55K以上,聚焦了全世界科技人员的目光。

    在探索新的铁基超导体系并进一步寻求更高超导转变温度的同时,物理所的研究团队在在探究铁基高温超导机理方面持续做出了突破性的工作。实验方面,在物理所多年的学术积淀和良好的硬件设备基础上,采用电磁热等传统输运手段研究其各种特性。多方位、多手段、多角度的实验研究让人们深入认识了铁基超导体的晶体结构、磁结构、能隙结构、电荷和自旋动力学等多方面的重要物理特性,为进一步理解铁基超导乃至高温超导机理提供了翔实可靠的实验证据。

图7:左:从比热、磁电阻、光电导谱测量和第一性原理计算物理所科研人员首次提出LaFeAsO母体具有自旋密度波不稳定性,指出超导和自旋密度波不稳定性相互竞争,并预言了自旋密度波状态下的条纹反铁磁序磁结构,相关成果发表在在Europhys. Lett.杂志上。右:之后与美国科研小组合作进行中子衍射实验,证实了母体的反铁磁自旋密度波基态和理论预言的基态磁结构,发表在Nature 杂志上。

    从微观角度来说,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(即能量较高的巡游电子)将通过相互作用媒介而两两配对,这些“牵手”的电子对将同时处于稳定的低能组态,破坏电子对需要付出一定的能量,这个能量又称为超导能隙, 它反映电子电子配对的强度。在外加电场驱动下,所有电子对能够整体“步调一致”地运动。因此超导态在低温和低外磁场条件下属于稳定的宏观有序量子凝聚态,是凝聚态物理前沿研究中最重要的物理现象之一。研究超导微观机理最重要的就是要探究超导电子是如何配对以及配对后的能隙对称性。对于新一代高温超导家族——铁基超导体,物理所的实验研究团队及其合作者最早确立了母体材料中自旋密度波不稳定性的存在及反铁磁自旋排列结构和电子态相图,预示它与之前的铜氧化物高温超导家族有着类似的超导电性起源,即反铁磁涨落在超导配对过程扮演不可或缺的角色。

图8:物理所利用高分辨角分辨光电子能谱仪对新发现的超导体进行了研究。观察到该材料具有两个不同值的超导能隙。铁基高温超导体的超导电子对对称性的成功确定对于物质电子结构的理解带来很大进步。该项工作以发表在2008年出版的Europhys. Lett杂志上。美国阿贡国家实验室的Michael Norman为美国物理学会2008年创刊的Physics杂志中“trends”栏目撰写了关于铁基超导体物理研究的短评文章,重点介绍了此项工作。同时 EuroPhysics News以 Pairing symmetry of iron-based superconductors为题目选作研究亮点进行报道。2008年8月1号日本《科学新闻》以“铁系高温超导体的超导电子对对称性的成功确定对于物质结构的解析带来很大进步 ”为标题对这项工作进行了报道。

图9:STM/STS实验首次观察到铁基超导体中处于量子极限下的磁通束缚态,有关磁通测量的结果于2011年发表在Nature Physics上。关于多个无节点能隙的测量结果作为Rapid Communication发表在2011年的Physical Review B,并被选为该期的Editor’s suggestion。

图 10:物理所理论研究人员从晶体对称性出发,建立了一个简洁的铁基超导微观理论,统一解释了不同铁基超导材料能带结构的巨大差异,并同时建立了铁基和铜基超导体的联系。这个研究为统一理解铁基和铜基超导体提供了一个强有力的工具,它使研究铁基超导体电子成对相互作用对称性的问题成为了在铜基超导体中已经被深入、全面研究过的问题。该成果发表在2012年出版的Phys. Rev. X杂志上,并被APS(美国物理协会)选出在 “Physics: spotlighting exceptional research”  作为焦点成果报道。(上图) 铁基超导体的铁砷或铁硒层的基本结构。(下图) 铁基超导体的s-波配对和d-波配对的等价性。

图11. 物理所科研人员率先制备了原子级平整的铁硒超导薄膜。通过采集零偏压下扫描隧道显微谱图像,在实空间直接观察到FeSe薄膜的量子化磁通、磁通中心的束缚态以及束缚态在空间的演化规律。关成果对理解铁基高温超导机理的重要意义,发表在2011年Science杂志上。

图12:物理所科技人员通过研究高压下新型铁硒基超导体,发现该体系所有的样品在压力下均具有两个超导相存在区。在压力为12.5 GPa时,TC=48.7 K,这是目前新型铁硒基超导体的最高转变温度。相关成果于2012年发表在国际著名科学杂志《自然》Nature杂志上。

    物理所在铁基高温超导研究领域已形成一支具有相当规模和实力的团队,不断探索和发现新超导材料,理论与实验两方面齐头并进,牢牢占据了本领域的制高点。发现铁基超导以来,物理所发表了诸多高质量的SCI论文,截止到2011年底,物理所以第一单位发表了近400篇关于铁基超导的SCI文章,其中有50多篇的论文是发表在Science, Nature, Journal of the American Chemical Society , Physical Review Letters这类高端期刊。相当篇数的论文引用次数位居世界前列。2009年11月,以物理所为第一单位发表10篇关于铁基高温超导研究的国际学术论文入选“2008年中国百篇最具影响国际学术论文”。同时,物理所举办了多次铁基方面的国际会议。2008年10月17日-19日 “北京国际铁(镍)基超导研讨会”(Beijing International Workshop on Iron-(Nickel)-Based Superconductors)在物理所召开,来自日本、美国、德国、英国、瑞士、台湾、香港等国家和地区的36位著名科学家和10位国内优秀学术带头人参会并作了邀请报告,本次会议集中了全球在铁基高温超导研究,乃至全球超导界、强关联研究方面的知名专家,大家就铁基高温超导材料探索、物性以及机理研究方面的进展进行了深入讨论和广泛交流,大多报告均是本领域全世界的最新进展。与会者充分认可了物理所在铁基高温超导方面的贡献,并多次肯定了物理所与国外研究机构的合作。

图13:国际铁(镍)基超导研讨会在中国科学院物理研究所召开(2008.10.17),会上的国外专家在踊跃提问。

    中美两国科学家在新超导体探索方面做出了重要的贡献,应美国空军科学研究局(AFOSR)的Harold Weinstock博士提议,与物理所赵忠贤院士共同发起,“中美新超导体探索双边会议”由此诞生,通过此双边会议为两国的合作建立更密切的合作。这是一个旨在中美合作探索和发现“用户友好”(user-friendly)的新超导材料的研讨会。首次会议于2010年在北京物理所召开,第二次会议在于2011年在美国加州圣芭芭拉召开。
 首届“中美新超导体探索双边会议”于2010年9月26日至29日在物理所举办。会议双方代表报道了对铜氧化物高温超导体和新近发现的铁基超导体的研究以及对探索新超导体方面的思路和最新进展。赵忠贤院士和Harold Weinstock博士等会议代表一致认为,此次双边会议为中美科学家的相互交流和了解提供了的重要平台,将有利于中美科学家在探索新超导体这一重要方向达成卓有成效的合作。

图14:2010年“中美新超导体探索双边会议”在物理所召开

    2011年12月11日至16日,“第二届中美新超导体探索双边会议暨美国USAF超导项目总结会”(Superconductivity Program Review & USAF China Workshop)在美国加州圣芭芭拉( Santa Barbara) 召开。本届会议由美国空军科学研究局(AFOSR)主办。美国空军科学研究局(AFOSR)的Harold Weinstock博士致欢迎词并在总结会上表达了希望进一步拓展和深化中美科学家在探索新超导体及相关研究领域的合作的意愿。报告内容集中在新型超导体的新材料探索、界面效应及机理研究等领域。

图15:2011年“第二届中美新超导体探索双边会议暨美国USAF超导项目总结会”在美国加州圣芭芭拉召开

图16:物理所5位科研人员与中国科技大学、人民大学3位科研人员因在铁基超导研究领域的杰出贡献荣获香港求是科技基金会2009年度“求是杰出科技成就集体奖”,杨振宁为获奖者们颁发证书.

    铁基超导研究,对“磁性与超导电性不相容”的传统观念造成极大的冲击与挑战,有可能揭开崭新的超导物理篇章。对铁基超导材料以及机理的探究,将促进人类对这类超导材料的理解和掌握,为促进未来的高温超导技术的应用奠定坚实的基础。(中国科学院物理研究所)

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