鐵基超導研究取得系列進展
2013-10-15
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    超導指的是某些材料溫度降到臨界溫度以下,電阻突然消失為零的現象。作為20世紀最偉大的科學發現之一,超導體具有零電阻和完全抗磁性等一系列神奇的物理特性,在科學研究、信息通訊、工業加工、能源存儲、交通運輸、生物醫學乃至航空航天等領域均有重大的應用前景,受到人們的廣泛關注。自1911年超導被發現,在超導研究的百年歷史上已有十人獲得了五次諾貝爾物理學獎,在無數聰慧的科學家推動下,超導依舊不斷綻放新的魅力。

    截止到2008年之前,人們發現的超導材料主要有四大家族:金屬和合金超導體、銅氧化物超導體、重費米子超導體和有機超導體。其中1986年以來發現的銅氧化物超導體因其具有40 K(273 K對應0攝氏度,40 K即-233攝氏度,以此類推)以上的超導臨界溫度又稱高溫超導體,它的超導機理至今仍是凝聚態物理前沿研究中的一個難以解開的謎團。為了徹底揭開高溫超導的面紗,人們迫切需要尋找到新的高溫超導家族,以開辟更多的研究蹊徑。2008年,隨著日本科學家在鐵砷化物中發現了26 K的超導電性,鐵基高溫超導研究的序幕從此被拉開,新一輪的超導研究熱潮在全球范圍內再次掀起。在這次熱潮中,中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室(籌)的多個研究組分別獨立制備出鐵基高溫超導材料,連續刷新超導轉變溫度,使得鐵基超導在短時間內迅速聚焦了全球學術界的目光。美國《科學》、《今日物理》等雜志相繼以“新超導體將中國物理學家推向凝聚態物理研究最前沿”等為題報導了中國科學院物理研究所/凝聚態物理國家實驗室(籌)研究人員在新一輪鐵基超導體中所開展的富有重要影響的領先性工作,并給予高度評價。美國《科學》雜志公布了該刊評選出的2008年十大科學進展,其中鐵基高溫超導研究入選十大科學進展之一?!拔覈茖W家發現鐵基高溫超導材料”入選2008年度中國十大科技新聞,“鐵基高溫超導研究取得系列重要進展”入選


圖2:左圖為國際著名雜志《科學》對鐵基超導工作給予高度評價,指出新超導體將中國物理學家推向前列。右圖為鐵基高溫超導研究入選2008年度《科學》雜志評選出來的十大科學進展之一

圖3:《今日物理》對鐵基超導體研究進行的詳細追蹤報道,其中多次提到中科院物理所的工作和貢獻

    2008年5月10日上午,《高溫超導體研究取得重要進展》重大科學成果發布會在物理所召開。會議向媒體發布了物理所近期在鐵基超導體及其物理機理研究方面取得的重要進展。
    媒體報道:
    CCTV 《新超導體將中國物理學家推到世界最前沿》
    人民日報 《我國新高溫超導體研究步入世界最前沿》
    人民網《物理學界熱評我新超導體突破 “高溫”下的低調》
    新華社 《新超導體將中國物理學家推到世界最前沿》
    中國新聞社 《科學》雜志《中國已成為凝聚態物理研究強國》
    光明日報《新超導體研究國際領先》
    光明日報《新超導材料研究怎樣走到國際最前沿》
    科技日報《新超導體將中國物理學家推到最前沿》
    科學時報《中國科學家問鼎高溫超導體研究前沿》
    中國科學院網站《<今日物理>追蹤高溫超導體研究在中國 》
    中國科學院英文網站《Progresses in iron-based High-Tc superconductors shedding light on superconductivity mechanism》


圖4:CCTV對新聞發布會進行報道,左圖為在物理所D樓210會議室的現場發布會,右圖為中科院物理所王玉鵬所長發布新聞

    2010年至2012年間,物理所研究團隊再次在鐵基新超導體探索中取得突破,發現了超導轉變溫度接近甚至超過鐵砷層狀化合物且不含砷的新鐵硒基超導體。在尋找新型鐵基超導材料的競賽中,物理所獨立或首先發現了其中4種,占所有被發現的鐵基超導材料總數的近半數,并為全球30多個科學研究機構提供高質量的樣品,為鐵基超導研究做出了重大貢獻。


圖5:目前已經發現的鐵基超導體系的典型母體結構,其中“LiFeAs”、“KFe2Se2”、“Sr2VO3FeAs”、“Sr3Sc2Fe2As2O5”由中科院物理所研究團隊發現。

圖6:鐵基超導體發現時間及其超導臨界溫度,不同顏色代表發現者所在國家。2008年3月左右,物理所及中國其他同行科學家們通過稀土元素替換,在短時間內將“1111”體系的超導臨界溫度提高到了55K以上,聚焦了全世界科技人員的目光。

    在探索新的鐵基超導體系并進一步尋求更高超導轉變溫度的同時,物理所的研究團隊在在探究鐵基高溫超導機理方面持續做出了突破性的工作。實驗方面,在物理所多年的學術積淀和良好的硬件設備基礎上,采用電磁熱等傳統輸運手段研究其各種特性。多方位、多手段、多角度的實驗研究讓人們深入認識了鐵基超導體的晶體結構、磁結構、能隙結構、電荷和自旋動力學等多方面的重要物理特性,為進一步理解鐵基超導乃至高溫超導機理提供了翔實可靠的實驗證據。


圖7:左:從比熱、磁電阻、光電導譜測量和第一性原理計算物理所科研人員首次提出LaFeAsO母體具有自旋密度波不穩定性,指出超導和自旋密度波不穩定性相互競爭,并預言了自旋密度波狀態下的條紋反鐵磁序磁結構,相關成果發表在在Europhys. Lett.雜志上。右:之后與美國科研小組合作進行中子衍射實驗,證實了母體的反鐵磁自旋密度波基態和理論預言的基態磁結構,發表在Nature 雜志上。

    從微觀角度來說,當超導材料處于超導臨界溫度之下時,材料中費米面附近的電子(即能量較高的巡游電子)將通過相互作用媒介而兩兩配對,這些“牽手”的電子對將同時處于穩定的低能組態,破壞電子對需要付出一定的能量,這個能量又稱為超導能隙, 它反映電子電子配對的強度。在外加電場驅動下,所有電子對能夠整體“步調一致”地運動。因此超導態在低溫和低外磁場條件下屬于穩定的宏觀有序量子凝聚態,是凝聚態物理前沿研究中最重要的物理現象之一。研究超導微觀機理最重要的就是要探究超導電子是如何配對以及配對后的能隙對稱性。對于新一代高溫超導家族——鐵基超導體,物理所的實驗研究團隊及其合作者最早確立了母體材料中自旋密度波不穩定性的存在及反鐵磁自旋排列結構和電子態相圖,預示它與之前的銅氧化物高溫超導家族有著類似的超導電性起源,即反鐵磁漲落在超導配對過程扮演不可或缺的角色。

圖8:物理所利用高分辨角分辨光電子能譜儀對新發現的超導體進行了研究。觀察到該材料具有兩個不同值的超導能隙。鐵基高溫超導體的超導電子對對稱性的成功確定對于物質電子結構的理解帶來很大進步。該項工作以發表在2008年出版的Europhys. Lett雜志上。美國阿貢國家實驗室的Michael Norman為美國物理學會2008年創刊的Physics雜志中“trends”欄目撰寫了關于鐵基超導體物理研究的短評文章,重點介紹了此項工作。同時 EuroPhysics News以 Pairing symmetry of iron-based superconductors為題目選作研究亮點進行報道。2008年8月1號日本《科學新聞》以“鐵系高溫超導體的超導電子對對稱性的成功確定對于物質結構的解析帶來很大進步 ”為標題對這項工作進行了報道。

 

圖9:STM/STS實驗首次觀察到鐵基超導體中處于量子極限下的磁通束縛態,有關磁通測量的結果于2011年發表在Nature Physics上。關于多個無節點能隙的測量結果作為Rapid Communication發表在2011年的Physical Review B,并被選為該期的Editor’s suggestion。

圖 10:物理所理論研究人員從晶體對稱性出發,建立了一個簡潔的鐵基超導微觀理論,統一解釋了不同鐵基超導材料能帶結構的巨大差異,并同時建立了鐵基和銅基超導體的聯系。這個研究為統一理解鐵基和銅基超導體提供了一個強有力的工具,它使研究鐵基超導體電子成對相互作用對稱性的問題成為了在銅基超導體中已經被深入、全面研究過的問題。該成果發表在2012年出版的Phys. Rev. X雜志上,并被APS(美國物理協會)選出在 “Physics: spotlighting exceptional research”  作為焦點成果報道。(上圖) 鐵基超導體的鐵砷或鐵硒層的基本結構。(下圖) 鐵基超導體的s-波配對和d-波配對的等價性。

圖11. 物理所科研人員率先制備了原子級平整的鐵硒超導薄膜。通過采集零偏壓下掃描隧道顯微譜圖像,在實空間直接觀察到FeSe薄膜的量子化磁通、磁通中心的束縛態以及束縛態在空間的演化規律。關成果對理解鐵基高溫超導機理的重要意義,發表在2011年Science雜志上。

圖12:物理所科技人員通過研究高壓下新型鐵硒基超導體,發現該體系所有的樣品在壓力下均具有兩個超導相存在區。在壓力為12.5 GPa時,TC=48.7 K,這是目前新型鐵硒基超導體的最高轉變溫度。相關成果于2012年發表在國際著名科學雜志《自然》Nature雜志上。

    物理所在鐵基高溫超導研究領域已形成一支具有相當規模和實力的團隊,不斷探索和發現新超導材料,理論與實驗兩方面齊頭并進,牢牢占據了本領域的制高點。發現鐵基超導以來,物理所發表了諸多高質量的SCI論文,截止到2011年底,物理所以第一單位發表了近400篇關于鐵基超導的SCI文章,其中有50多篇的論文是發表在Science, Nature, Journal of the American Chemical Society , Physical Review Letters這類高端期刊。相當篇數的論文引用次數位居世界前列。2009年11月,以物理所為第一單位發表10篇關于鐵基高溫超導研究的國際學術論文入選“2008年中國百篇最具影響國際學術論文”。同時,物理所舉辦了多次鐵基方面的國際會議。2008年10月17日-19日 “北京國際鐵(鎳)基超導研討會”(Beijing International Workshop on Iron-(Nickel)-Based Superconductors)在物理所召開,來自日本、美國、德國、英國、瑞士、臺灣、香港等國家和地區的36位著名科學家和10位國內優秀學術帶頭人參會并作了邀請報告,本次會議集中了全球在鐵基高溫超導研究,乃至全球超導界、強關聯研究方面的知名專家,大家就鐵基高溫超導材料探索、物性以及機理研究方面的進展進行了深入討論和廣泛交流,大多報告均是本領域全世界的最新進展。與會者充分認可了物理所在鐵基高溫超導方面的貢獻,并多次肯定了物理所與國外研究機構的合作。


圖13:國際鐵(鎳)基超導研討會在中國科學院物理研究所召開(2008.10.17),會上的國外專家在踴躍提問。

    中美兩國科學家在新超導體探索方面做出了重要的貢獻,應美國空軍科學研究局(AFOSR)的Harold Weinstock博士提議,與物理所趙忠賢院士共同發起,“中美新超導體探索雙邊會議”由此誕生,通過此雙邊會議為兩國的合作建立更密切的合作。這是一個旨在中美合作探索和發現“用戶友好”(user-friendly)的新超導材料的研討會。首次會議于2010年在北京物理所召開,第二次會議在于2011年在美國加州圣芭芭拉召開。
 首屆“中美新超導體探索雙邊會議”于2010年9月26日至29日在物理所舉辦。會議雙方代表報道了對銅氧化物高溫超導體和新近發現的鐵基超導體的研究以及對探索新超導體方面的思路和最新進展。趙忠賢院士和Harold Weinstock博士等會議代表一致認為,此次雙邊會議為中美科學家的相互交流和了解提供了的重要平臺,將有利于中美科學家在探索新超導體這一重要方向達成卓有成效的合作。


圖14:2010年“中美新超導體探索雙邊會議”在物理所召開

    2011年12月11日至16日,“第二屆中美新超導體探索雙邊會議暨美國USAF超導項目總結會”(Superconductivity Program Review & USAF China Workshop)在美國加州圣芭芭拉( Santa Barbara) 召開。本屆會議由美國空軍科學研究局(AFOSR)主辦。美國空軍科學研究局(AFOSR)的Harold Weinstock博士致歡迎詞并在總結會上表達了希望進一步拓展和深化中美科學家在探索新超導體及相關研究領域的合作的意愿。報告內容集中在新型超導體的新材料探索、界面效應及機理研究等領域。


圖15:2011年“第二屆中美新超導體探索雙邊會議暨美國USAF超導項目總結會”在美國加州圣芭芭拉召開

圖16:物理所5位科研人員與中國科技大學、人民大學3位科研人員因在鐵基超導研究領域的杰出貢獻榮獲香港求是科技基金會2009年度“求是杰出科技成就集體獎”,楊振寧為獲獎者們頒發證書.

    鐵基超導研究,對“磁性與超導電性不相容”的傳統觀念造成極大的沖擊與挑戰,有可能揭開嶄新的超導物理篇章。對鐵基超導材料以及機理的探究,將促進人類對這類超導材料的理解和掌握,為促進未來的高溫超導技術的應用奠定堅實的基礎。(中國科學院物理研究所)