铁基超导体材料的主要结构

1. 铁基超导体材料的主要结构

因此，摆在物理学家面前的一个新问题是，新老两类材料的高温超导机制是否一样？诺贝尔奖获得者、美国普林斯顿大学理论物理学家菲利普·安德森说，假如不一样，那就意味着新材料的发现比预想的要重要得多，也许能从中发现全新的超导机制。闻海虎认为，新的铁基超导材料有可能会为探究高温超导机制提供一个更清晰的体系，在此基础上，铜基超导材料的高温超导机制“可能会一下子变清晰”。但是，也有科学家持有异议。美国斯坦福大学科学家史蒂夫·基沃尔森就认为，两类材料都是成面结构，都是从导电性能很差的材料转化而来，而且都表现出一种名为“反铁磁性”的磁特性。他说：“两者具有足够的相似性，因此可以假设，它们是本质相同的高温超导材料。”不过，科学家们都认同一点，那就是新的铁基超导材料将激发物理学界新一轮的高温超导研究热。而下一步，科学家们将着眼于合成由单晶体构成的高品质铁基高温超导材料。

2. 铁基超导体材料的介绍

铁基超导体材料，中日科学家新发现的这一系列铁基超导材料都具有相同的晶体结构，它们在有些方面与铜基超导材料惊人地相似。但是计算表明，这些铁基超导材料的晶格振动提供的电子对结合力量，不足以使材料超导临界温度达到如此高的水平。

3. 铁基超导体材料的研究进展

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。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。就在2008年2月，日本科学家首先报告说，氟掺杂镧氧铁砷化合物在临界温度26开尔文（零下247.15℃）时，即具有超导特性。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℃）。此外，中科院物理所闻海虎领导的科研小组还报告，锶掺杂镧氧铁砷化合物的超导临界温度为25开尔文（零下248.15℃）。

4. 铁基超导的介绍

铁基超导，即铁基超导电性，具备这种特性的材料叫超导体。铁基超导体是指化合物中含有铁，在低温时具有超导现象，且铁扮演形成超导的主体的材料。

5. 铁基超导的晶体结构

现有的铁基超导体从结构上可分为四类：（1111）、（122）、（111） 和 (11)。 　　“1111”体系 成员包括LnOFePn(Ln=La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Tb, Dy, Ho, Y; Pn=P, As)以及DvFeAsF (Dv = Ca, Sr)等;　　“122”体系 成员包括AFe2As2 (A = Ba, Sr, K, Cs, Ca, Eu)等;　　“111”体系 成员包括AfeAs (A = Li, Na)等;　　“11”体系  成员包括FeSe(Te)等.  氮磷族氧化物　　(oxypnictide)  温度c (K)  LaO0.89F0.11FeAs  26  LaO0.9F0.2FeAs  28.5  CeFeAsO0.84F0.16  41  SmFeAsO0.9F0.1  43  La0.5Y0.5FeAsO0.6  43.1  NdFeAsO0.89F0.11  52  PrFeAsO0.89F0.11  52  ErFeAsO1-y  45  Al-32522 (CaAlOFeAs)  30(As), 16.6 (P)  Al-42622 (CaAlOFeAs)  28.3(As), 17.2 (P)  GdFeAsO0.85  53.5  BaFe1.8Co0.2As2  25.3  SmFeAsO~0.85  55  非氮磷族氧化物　　(non-oxypnictide)  温度c (K)  Ba0.6K0.4Fe2As2  38  Ca0.6Na0.4Fe2As2  26  CaFe0.9Co0.1AsF  22  Sr0.5Sm0.5FeAsF  56  LiFeAs  <18  NaFeAs  9–25  FeSe  <27

6. 超导材料的技术原理

零电阻超导材料处于超导态时电阻为零，能够无损耗地传输电能。如果用磁场在超导环中引发感应电流，这一电流可以毫不衰减地维持下去。这种“持续电流”已多次在实验中观察到。抗磁性超导材料处于超导态时，只要外加磁场不超过一定值，磁力线不能透入，超导材料内的磁场恒为零。临界温度外磁场为零时超导材料由正常态转变为超导态(或相反)的温度，以Tc表示。Tc值因材料不同而异。已测得超导材料的最低Tc是钨，为0.012K。到1987年，临界温度最高值已提高到100K左右。临界磁场使超导材料的超导态破坏而转变到正常态所需的磁场强度，以Hc表示。Hc与温度T 的关系为Hc=H0[1-(T/Tc)2]，式中H0为0K时的临界磁场。临界电流和临界电流密度超导体的临界温度Tc与其同位素质量M有关。M越大，Tc越低，这称为同位素效应。例如，原子量为199.55的汞同位素，它的Tc是4.18开，而原子量为203.4的汞同位素，Tc为4.146开。通过超导材料的电流达到一定数值时也会使超导态破坏而转变为正常态，以Ic表示。Ic一般随温度和外磁场的增加而减少。单位截面积所承载的Ic称为临界电流密度，以Jc表示。超导材料的这些参量限定了应用材料的条件，因而寻找高参量的新型超导材料成了人们研究的重要课题。以Tc为例，从1911年荷兰物理学家H.开默林－昂内斯发现超导电性(Hg，Tc=4.2K)起，直到1986年以前，人们发现的最高的 Tc才达到23.2K(Nb3Ge，1973)。1986年瑞士物理学家K.A.米勒和联邦德国物理学家J.G.贝德诺尔茨发现了氧化物陶瓷材料的超导电性，从而将Tc提高到35K。之后仅一年时间，新材料的Tc已提高到100K左右。这种突破为超导材料的应用开辟了广阔的前景，米勒和贝德诺尔茨也因此荣获1987年诺贝尔物理学奖金。

7. 铁基超导体是什么？

铁基超导体是指化合物中含有铁，在低温时具有超导现象，且铁扮演形成超导的主体的材料。

2006年日本东京工业大学细野秀雄教授的团队发现第一个以铁为超导主体的化合物LaFeOP [1] ，打破以往普遍认定铁元素不利形成超导迷思。根据BCS理论，产生超导性的必要条件是材料中的电子必须配对，这样配对的电子称为库柏对。库柏对中的两个电子自旋相反，所以总自旋为零，因而科学家认为超导性与铁磁性可能无法共存，材料中如果加入磁性元素（如铁、镍）会大大降低超导性。铁基超导体虽然含有铁元素且是产生超导的主体，但是铁和其他元素（如砷、硒）形成铁基平面后，已不再具有铁磁性。2008年二月初，细野秀雄教授的团队再度发表铁基层状材料La[O1-xFx]FeAs（x = 0.05 – 0.12）在绝对温度26K时存在超导性 [2] ，从此研究铁基超导体便在世界上形成一股热潮。引起许多科学家的兴趣的重要原因之一在于铁基超导体的结构与高温超导的铜氧平面类似，超导性发生在铁基平面上，属于二维的超导材料。因此尽管铁基超导体的临界温度只有数十K，研究铁基超导体可能有助于了解高温超导的机制。

8. 铁基超导的科学意义

物理学家麦克米兰根据传统理论计算推断，超导体的转变温度不能超过40K，约零下233摄氏度。40K以上铁基高温超导体的发现及若干基本物理性质研究的科学意义在于，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；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55K铁基超导体临界温度的最高纪录。