上世纪80年代,科学家发现了铜氧化物可以实现高温超导,去年,铁基材料成为超导家族的第二个成员。它的发现重新点燃了物理学家的高温超导之梦。或许它还将有助于破解高温超导机制这个一直困扰学界的难题。

撰文 格雷厄姆·P·柯林斯(Graham P. Collins) 翻译 胡婉铮 审校 王楠

超导 只有在接近绝对零度的低温下,常规超导体才可以无能量损耗地传导电流。20世纪80年代发现的铜氧化物超导体,彻底打破了长久以来超导转变温度的限制,但是如何将铜氧化物超导体应用到工业上仍然是一项极富挑战性的工作。 铜氧化物超导体在超导材料中独一无二的地位一直保持到2008年,这一年物理学家发现铁基超导体也可以在远高于绝对零度的温度进入超导态。 对铁基超导体的研究或许能帮助科学家最终理解铜氧化物的超导机制,甚至为寻找室温超导体提供线索。

2006年,日本东京工业大学细野秀雄(Hideo Hosono)领导的研究小组进行了一项工作。起初,研究人员并不是为了寻找超导材料,而是希望合成一种能用于平板显示器的新型透明半导体。然而,当研究人员对他们新合成的物质——一种包含镧、氧、铁、磷的新化合物——进行物理性质检测时,发现该材料在4K(约-269℃,参见环球科学小词典)以下传导电流时电阻为零;也就是说,它超导了。

虽然4K远低于当前实验室能实现的最高超导转变温度138K,与室温(约300K)这一超导终极目标的差距就更不用说了,但对于研究者来说,发现一种新超导体就好比车手拿到了一部新式赛车。车手想知道这部赛车到底可以开多快;而物理学家想知道,在这个新超导家族中能否找到转变温度更高的超导体。由于冷却系统建设复杂、占地庞大,还须耗费巨资,超导体在工业上的应用大大受限。因此,超导转变温度每提高一点,都有助于改善现有系统的不足,使新项目在技术上和经济上都更具可行性。如果抛开传统低温超导体必备的液氦冷却系统,就不再有花费过高和设备复杂等种种麻烦,工程师就可以把能够无损耗传导大电流的电缆以及小型强磁体应用到磁共振成像、磁悬浮列车、粒子加速器及其他科学设想中。

研究小组开始尝试掺杂新发现的化合物,即用少量其他元素取代化合物中已有的元素,希望能提高超导转变温度。他们用氟取代一部分氧原子,将超导温度提到了7K。随后,研究人员把磷元素完全替换为砷,又使超导温度提高到26K。这一重大发现在2008年2月底报道出来,立即引起全世界物理学家的关注,进而引发了一场对铁基超导体的研究热潮。同年3月底,几个中国研究小组合成了超导转变温度超过40K的超导体。一个月后,最高超导转变温度就已达到56K。

尽管铁基超导体的研究进展相当快,但仍不足以挑战20年前由铜氧化物(copper oxide或cuprate)超导体创造的最高超导温度记录,不过物理学家仍难以抑制兴奋之情。他们认为,该体系的超导转变最高温度还大有潜力可挖;由于铜氧化物质地很脆,制作用在电缆或磁体中的长导线时需要更复杂的技术工艺,而铁基材料在工业中的应用或许容易一些。

超导体里居然含有铁元素,这一点非常罕见。铁原子具有强磁性,而磁性通常会抑制超导电性。事实上,对超导体的界定除了零电阻,还有另外一条——具备完全抗磁性,即磁场被屏蔽在超导体之外,而不能穿透其内部。当磁场强度大到足以进入超导体时,超导电性就会被破坏。铁基超导体的超导电性为什么没有被内部铁原子的磁性破坏,这还是一个未解之谜。

铁基超导体最吸引人之处,或许在于它让高温超导体家族有了新成员,铜氧化物不再孤独。研究者已经被铜氧化物困扰了20多年,始终没有找到一个理论能解释它的所有性质,尤其是超导转变温度为什么如此之高。现在,研究者或许可以比较铜氧化物和铁基材料这两种高温超导体,找到关键线索,最终解开高温超导这个未解之谜。

层状结构 铁基材料和铜氧化物最大的相似之处在于他们都是层状结构,但这种结构是不是高温超导的关键因素还有待证明。

由于铁基材料和铜氧化物这两类超导体在很多方面存在相似性,研究人员希望通过研究铁基超导体找到线索,进而探寻铜氧化物的超导机制。这两种材料的超导转变温度都远远高于其他所有已知超导体。它们都有各自的最佳掺杂浓度,即掺杂到某一浓度时,该体系的超导转变温度可以达到一个极大值,在此温度以下该材料进入超导态,这个转变温度也被称为临界温度(critical temperature)。而欠掺杂和过掺杂样品的超导转变温度都低于最佳掺杂样品,当掺杂浓度逐渐远离最佳掺杂浓度时,超导转变温度逐渐降到绝对零度。换句话说,如果样品的掺杂浓度太低或太高,它都不会超导(参见第21页插图)。

当然,这两种材料最大的相似性还在于结构,铜氧化物和铁基超导体都由不同原子层相互交错堆积而成。铜氧化物的主要特征是铜氧($CuO_2$)层,相应地,铁基化合物也有由铁和磷族元素构成的原子层,在这些层中,铁元素和元素周期表中氮元素那一列的元素,如磷、砷、锑等结合在一起。细野秀雄教授的研究组发现的26K超导体,就是由镧氧(LaO)层和铁砷(FeAs)层交错构成。

如果把这两种超导体的晶体结构比作三明治,铜氧层和铁砷层就是夹在三明治里的肉。物理学家认为超导电性就源于这个夹心层。两边的“面包片”仅仅为夹心层提供额外的电子,或是从夹心层移走一些电子。往镧氧铁砷(LaOFeAs)掺杂了氟之后,氟就会取代部分氧原子,由于每个氟原子比此前的氧原子多出一个电子,这些额外电子就会转移到铁砷层,进而改变它的电学性质。

沿垂直于层状面的方向俯视,铁砷层的原子仿佛被置于一个纳米尺度的棋盘中;每个铁原子占据一个黑方格,砷原子占据一个白方格。铜氧层的情形与此相似,不同之处在于,棋盘上只有一半的黑方格被铜原子占据。每个铜氧层基本上都是平的,即所有原子共面。与之相反,铁砷层中的砷原子位于铁原子的斜上方和斜下方,每个铁原子周围有4个砷原子,构成一个四面体,砷原子位于四面体的顶点。究竟两种材料结构特点中的相同点更重要,还是不同点更重要,还有待考证。

铜氧化物超导体具有层状结构,这一特点使得它对沿层面传导和垂直于层面传导的超导电流有不同的响应。铜氧化物超导体中,磁场对超导电流的影响取决于磁场方向。当磁场方向平行于铜氧面时,超导体可以承受很大的磁场且依然保持超导状态,而当磁场垂直于铜氧面时,一个较小的磁场就可以破坏超导电性。这一性质在实际应用中很重要,因为很多超导体都用于产生强磁场。铜氧化物的这一特性也被认为是一条潜在线索,或许能够用来解释高温超导的原理。

理论工作者非常看重这些线索,他们花了20年时间,主要专注于发展一个理论,来解释超导电性如何在一个铜氧层中产生。他们认为铜氧化物的二维特性是一个很关键的因素。从理论来看,这种观点是合理的,数学和物理中可以找到很多这样的例子:一个二维体系的独特性质或现象到了三维情形就不再存在,或者变得相当复杂。在铜氧化物超导体这个具体的例子中,大量实验结果显示,铜氧层在整个化合物中的地位非常特殊。

对铁基超导体最早的一些研究表明它似乎也有二维特性,但在2008年7月底,中国科学院王楠林(Nan-Lin Wang)研究员领导的研究组,以及美国爱荷华州立大学的保罗·C·坎菲尔德(Paul C. Canfield)小组与洛斯阿拉莫斯国家试验室(Los Alamos National Laboratory)研究人员的合作团队,分别独立地发现铁基超导体对不同方向和强磁场有类似响应。也就是说,他们研究的这种超导转变温度可达38K的钾掺杂钡铁砷材料似乎是一个具有三维特性的超导体。

在荷兰莱顿大学的理论物理学家扬·扎宁(Jan Zaanen)看来,如果铜氧化物和铁基超导体都蕴含着同一个“高温超导的奥秘”,那么以上两个研究小组的实验结果预示着“二维特性似乎是个干扰因素,将理论物理学家引向了错误的方向”。

文章来源:《环球科学》2009年第9期


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