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超导是20世纪最伟大的发现之一，它不仅揭示了一个新颖的微量子世界，而且为凝聚态物理开辟了新的研究方向。

铁基超导体作为铜氧化物高温超导体发现后的第二个高温超导体家族，再次打破了人们对传统超导的理解，为高温超导的研究打开了另一扇门。

什么是超导

荷兰物理学家昂内斯最早是超导现象（Kamerlingh 电脑 Onnes）1911年研究金属汞（Hg）当温度降至4时，发现低温下的电阻.2K汞的电阻突然消失。低温下的这种零电阻现象称为超导，电阻消失的温度称为超导转变温度。

荷兰物理学家昂内斯(图片来源:诺贝尔基金会档案)

金属汞的电阻温度曲线(图片来源:罗会千，周兴江现代物理知识， 2012.24(2): 30-39）

除零电阻外，超导体还具有迈斯纳效应(完全抗磁性)的另一个基本特性电脑，即当超导体处于超导态时，超导体内的磁场为零。超导体的完全抗磁性不能由零电阻的性质来推断，两者相互独立，具有这两种性质的材料称为超导体。

迈斯纳效应示意图(图片来源:维基百科)

1957年，由巴丁（John Bardeen）、库伯（Leon Cooper）和施里弗（John Robert Schrieffer）著名的微观超导理论——BCS 理论成功地解释了金属或合金超导体的物理性质。

从微观上看，当超导材料处于超导临界温度下时，材料中米粉附近的电子将通过相互作用媒介进行匹配，这些电子对将同时处于稳定的低能组态。

从微观上看，当超导材料处于超导临界温度下时，材料中米粉附近的电子将通过相互作用媒介进行匹配，这些电子对将同时处于稳定的低能组态。配对后的电子处于凝聚体中，需要一定的能量来打破电子，称为超导能间隙。在外加电场的驱动下，所有电子都可以一致地移动整体，因此超导属于宏观量子凝聚现象。

超导微观理论BCS理论(图片来源:维基百科)

铁基超导体

自1911年首次发现超导电性以来，超导研究一直朝着两个重要方向发展。一是探索新的超导材料，不断提高超导转换温度，二是阐明超导机制，解释为什么电子能在固体材料中畅通无阻。根据BCS理论上，所有金属合金超导体的临界温度为40K理论上限，即麦克米兰极限。根据BCS理论上，所有金属合金超导体的临界温度为40K理论上限是麦克米兰的极限。在过去的70年里，虽然发现了新的超导体，但金属和合金等传统超导体的超导转换温度普遍很低，未能超过麦克米兰的极限。

山重水复疑无路，柳暗花明又一村。

瑞士科学家1986年Bednorz和Müller他们在宣布La-Ba-Cu-O起始超导转化温度在化合物中观察到35K结果，这一意想不到的发现结果TC全世界探索高温超导体的新纪录。随后发现的Y-Ba-Cu-O体系中存在90K上述临界温度首次突破液氮温区，远超麦克米兰极限。

2008年，日本东京大学的细野秀雄研究小组用F代替O，铁砷族化合物La[O1-xFx]FeAs中发现了2K铁基超导体正式导体的超导转变。La[O1-xFx]FeAs在高压下433K超导的转变再次突破了麦克米兰的极限，高温超导开辟了一条新的通路。

超导体的发展过程(图片来源:维基百科)

日本物理学家细野秀雄(图片来源:东京工业大学官网)

随后，一系列铁基超导体被中国科学家用稀土元素替代和高压合成发现。短短两个月，铁基超导体在常压下的超导转变温度从26开始K提升到了56K。

中国科学家的努力使铁基超导成为第二大高温超导家族，为铁基超导的洪流做出了不可磨灭的贡献。目前已发现的铁基超导体家族可分为晶体结构：

(1)11系统，即FeSe(Te)，铁基超导体是晶体结构中最简单的。值得一提的是，利用分子束外延生长FeSe/SrTiO超导转变温度超过65膜K，受到广泛关注。

(2)111系统，即AFeAs(A为Li、Na等)，LiFeAs超导转变温度可达18K。

(3)122系统，即AeFe2As2（Ae碱土金属元素，如Ba、Sr、Ca等）。122由于高质量、大尺寸和不同的混合浓度因此，122 该系统是目前的实验（ARPES、STM、Neutron Scattering）铁基超导体是研究最多的铁基超导体之一。

(4)1111系统，即LnOFeAs（Ln稀土元素，如La、Ce、Pr、Nd、Sm等）。赵忠贤院士领导的研究小组正在利用高压合成技术合成Sm[O1-xFx]FeAs中获得了55K目前，铁基超导体块的超导转变温度保持最高记录。

(5)其他系统，如基于11的系统形成系统插层AxFe2?ySe2（A=K、Rb、Cs、Ti等），Aen 1MnOyFe2As2，Aen 2MnOyFe2As2［Ae=Ca、Sr、Ba，M=Sc、V、(Ti, Al)、(Ti, Mg)、(Sc, Mg)］等。

△铁基超导体晶体结构(图片来源:Chen,X.H. et al., Nature2008;453:761–2.）

铁基超导体打破了铁不利于超导的传统认识，促进了多轨道相关电子系统的研发。铁基高温超导体研究与铜氧化物一样，具有丰富的物理内涵。此外，铁基超导体具有非常高的超导临界磁场，生产工艺相对简单，有望制备新一代超导磁体，具有良好的应用前景。

铁基超导体的发现作为继铜氧化物高温超导体之后的第二大高温超导体家族，为研究高温超导机制开辟了另一条道路。人们普遍认为，建立高温超导微观理论还不远。超导研究继续充满惊喜、机遇和挑战。期待室温超导的梦想在不久的将来成为现实。

参考文献

[1]H. K. 电脑Onnes, A kad van Wetenschappen (Amsterdam) 14, 818 (1911).

[2]J. G. Bednorz et al., Z. Phys, B 64, 189-193 (1986).

[3]M. K. Wu et al., Phys. Rev. Lett. 58, 908 (1987).

[4]科学通报赵忠贤等 32, 412 (1987).

[5]Y. Kamihara et al., J. Am. Chem. Soc. 130, 3296 (2008).

[6]Takahashi, H. et al.,Nature 453,376–378(2008).

[7]Chen,X.H. et al., Nature2008;453:761–2.

[8]Ren, Z.A. et al., ChinPhysLett2008;25:2215.

[9]超导物理张裕恒中国科技大学出版社

[10 Chen X. H. et al., Nat. Sci. Rev.,2014, 1: 371-395

[11]罗会仟, 物理 2014.43(07): 430-438.

[12]罗会千，周兴江现代物理知识， 2012.24(2): 30-39

[13]周兴江. 科学通报, 2016, 62: 745 ~ 748

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