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超导体的发现年龄和临界温度已经更新到2020年10月。
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2020年10月14日，一篇关于超高压下室温超导观测的论文出现在《自然》的封面上，引起轰动。论文显示，在267万个大气压的压力下，一种氢化物材料在室温下是超导的，温度约为15摄氏度。
什么是超导？超导的研究经历了什么？为什么室温超导如此受关注？科学院物理研究所副研究员罗在2014年撰文，描述了铁基高温超导的发现和研究如何推动人们 美国对高温超导的认识，以及科学家的贡献。
原标题是 铁基超导前世 ，首次发表于《《物理》》杂志2014年第43卷第7期。《知识分子》被授权转载。
执笔|罗
从2008年凝聚态物理中的铁基高温超导热潮开始，铁基超导的科学研究已经进入了第六个年头(注:本文发表于2014年，到2020年就12年了)，已经发表了上万篇铁基超导的研究论文。截至2013年2月，全球铁基超导研究领域前20篇被引用论文中，有9篇来自。铁基超导仍然是凝聚态物理基础研究中的前沿科学之一，吸引着世界上许多杰出科学家的关注。
为什么铁基超导如此特殊？它的发现对基础物理研究有什么样的重要影响？人在铁基超导的洪流中扮演了什么角色？本文将为你一一揭秘铁基超导的前世。
19世纪末20世纪初，人们在气体理论的指导下，在实验室里液化了各种气体，创下了一系列低温纪录。直到1908年7月10日，荷兰莱顿大学的恩尼斯等人成功地液化了最后一种 顽固的气体 氦，并确立了液氦的沸点为4.2 k(在热力学温标中，0 k对应于273.2℃，4.2 k相当于269℃)，从而开启了低温物理研究的新篇章(见图1)。
1911年4月8日，阿尼斯等人试图研究金属在低温下的电阻行为。当他们将金属汞冷却到4.2 k时，发现其电阻突然下降到仪器测量范围内的最小值(105ω)，以至于电阻降为零(见图2)。anis把这种物理现象称为超导性，意思是超导电性。他本人也因成功制备液氦和发现超导而获得了1913年的诺贝尔物理学奖。此后，人们发现许多单质金属及其合金在低温下是超导体，一些非金属单质在高压等特殊条件下也是超导体。在元素周期表中，除了除了一些磁性元素、惰性气体、放射性重元素和一些碱金属外，很多元素都是超导体。
1933年，德国物理学家迈斯纳通过实验发现，超导体有自己的特性，与假设的理想金属导体有很大不同(低温下电阻逐渐下降到零)。即超导体除了电阻为零之外，还有另一个独立的神奇性质——完全抗磁性。一旦超导体进入超导状态，就像武侠英雄训练出的 金钟罩和铁布衫 ，外部磁场可以 根本进不去，物质内部的磁感应强度为零。判断一种材料是否属于超导体，必须具备两个独立的特征:电阻为零和完全抗磁性。
用电阻为零的超导材料代替常规的有电阻的金属材料，可以节省大量电力传输带来的热量损失；可以设置超导发电机、变压器和储能环；可以在很小的空间内实现强磁场，从而获得高分辨率的核磁共振成像，研究极端条件下的物理性质，开发安全高速的磁悬浮列车。
超导磁体在基础物理实验中有着不可替代的应用。例如，超导磁体被广泛用于发现希格斯玻色子的欧洲大型强子加速器(lhc)的加速通道和探测器中。未来能源之星国际热核实验反应堆(iter)依靠超导磁体来约束核聚变，以实现可控目的。超导磁体广泛应用于凝聚态物理和生物物理。但在日常生活中，超导体的名声远不如半导体。为什么？一般来说，半导体可以在室温下使用，但超导体往往需要非常低的温度环境(低于其超导临界温度)，这就要依靠昂贵的液氦或其他低温设备来维持，这就大大增加了超导应用的成本。解决这个问题的关键是找到临界温度更高的超导体，尤其是室温超导体——这是所有超导研究者的终极梦想。
图1各种气体的沸点
图2金属汞的电阻在4.2 k时突然降到零。
除了寻找具有更高临界温度的超导材料，从事超导研究的物理学家还承担着另一项重要的科学任务解释为什么电子可以 自由行走从微观层面来看。包括爱因斯坦、玻尔、费曼在内的世界上很多顶尖的智慧物理学家都试图完成这个任务，但都失败了。在超导发现46年后的1957年，三位美国物理学家成功建立了常规金属超导的微观理论，并以他们(巴丁、库珀和施里弗)的名字将这一理论命名为bcs理论。
根据bcs理论，除了众所周知的库仑排斥之外，常规金属合金中的自由电子可以间接产生微弱的吸引相互作用。因为固体材料中的原子总是在平衡位置附近振动，原子核及其内部电子形成的带正电的原子经过时实际上会带负电。两个电子之间有相互吸引的作用，所以后一个通过的电子将 感觉 马克 是由前面经过的电子引起的，即它们之间存在间接的相互作用，其介质是声子，一种周期性排列的原子产生的热振动能量量子。如果两个电子运动方向相反(动量相反)，那么它们与周围原子现实的相互作用可以等效为它们之间的一种弱吸引相互作用，就像两个跳舞的人在冰面上互相扔球，导致了材料中电子的配对。成对的电子对也被称为库珀对。如果所有的库珀对在运动过程中保持步调一致，那么配对电子即使受到运动的阻碍也会有升有降，这样整个配对自由电子群就可以保证能量损失为零，从而达到零阻态。
虽然bcs理论用 电子配对，不厌倦工作，其创新而大胆的想法迟迟不被人们接受，直到多年后才被实验证实，并于1972年被授予诺贝尔物理学奖。作为唯一两次获得诺贝尔物理学奖的人，巴丁早在1956年就因发明半导体晶体管而获奖，在半导体和超导体领域做出了巨大的科学贡献。有了理论的指导，似乎临界温度更高的超导体也能跟着图走。然而，兴奋的实验物理学家只在nb3ge合金中发现了23.2 k超导，超导探索之路持续了60多年，就像乌龟踱步，路漫漫其修远兮，修远不止(见图3)。
黎明在哪里？凝聚态理论物理学家又一次无情地泼了一大瓢冷水——基于bcs理论框架，他们计算出所有金属合金超导体的临界温度都存在一个40 k的理论上限，这个上限被称为麦克米兰极限。这是因为金属原子真实热振动的中间介质能量是有上限的。要获得40 k以上的超导性，原子组成的周期晶格最终会熔化。40 k，从300 k附近的室温来看似乎遥不可及，但这会是不可逾越的障碍吗？
图3超导体的发现年龄和临界温度已经更新到2020年10月。
幸运的是，实验物理学家并没有因此而放弃梦想。他们一直在努力工作。直到今天，人们还在不断发现新的超导材料。
研究表明，大多数非磁性金属元素在足够低的温度下都可以超导。当这些元素形成合金时，临界温度会更高。他们统称为 金属合金超导体 。虽然某些金属化合物中的电子看起来是电子重 (电子的有效质量大)，它们可以实现超导，被归类为 重费米子超导体 。c60和碱金属的化合物，甚至一些有机材料，也是超导体，被归类为 有机超导体 更令人欣慰的是，许多通常被认为导电性差的金属氧化物(如氧化钛、氧化铌、氧化铋、钌)氧化物、氧化钴等。)也是超导体。超导几乎处处存在于各种形态的简单物质和化合物中！因为 条条大路通超导 ，物理学家开始了更大胆的探索，在通常被视为绝缘体的氧化铜陶瓷材料中寻找可能的超导性。
从1986年开始，曙光终于冲破迷雾。瑞士苏黎士ibm公司的两位工程师伯诺兹和缪勒发现labacuo系统中可能存在35 k的超导性。虽然临界温度尚未超过40 k，但35 k是当时所有超导体临界温度的新纪录，为此伯诺兹和缪勒获得了1987年的诺贝尔物理学奖。一场攀登超导高峰的战斗就这样开始了，包括许多人和科学家。
1987年2月，美国休斯顿大学的朱经武、吴茂昆和科学院物理研究所的赵忠贤独立发现ybacuo体系存在90 k以上的临界温度，超导研究首次成功突破液氮温区(液氮的沸点为77 k)。使用更廉价的液氮将大大降低超导的应用成本，使超导的大规模应用和深入科学研究成为可能。因此，赵忠贤 这个研究小组获得了1989年国家自然科学一等奖。在接下来的十年里，超导的临界温度记录像火箭一样上升。目前世界上临界温度最高的超导体是hgbacacuo系(大气压下135 k，高压下164 k)，是朱经武研究组在1994年设定的(见图3)。因为铜氧化物超导体的临界温度远远超过40 k的麦克米兰极限，所以统称为 高温超导体 (这里的高温其实只是相对于金属合金超导体的较低临界温度而言)。
氧化铜hts家族有很多亚成员，按元素分为汞系、铊系、铋系、钇系、镧系等。按载体形式可分为空穴型和电子型两大类；根据晶体结构中所含cuo表层的数量，可分为单层、双层、三层和无限层。随着实验研究的发展，人们很快意识到氧化铜高温超导体(或铜基超导体)无法用传统的bcs超导微观理论来描述。要获得如此高的临界温度，仅仅通过原子热振动作为中间体来形成配对电子是不够的。此外，还发现重费米子超导体、有机超导体和某些氧化物超导体可以 不能用bcs理论来描述。虽然电子配对的概念依然成立，但是有很多奇怪的配对，配对介质，配对。无法用传统bcs理论描述的超导体也被称为 非常规超导体 ，不同于 传统超导体 可以用bcs理论来描述。也就是说，所有的高温超导体都属于 非常规超导体 。
有趣的是，2001年的这一天我们的科学家在二硼化镁(mgb2)中发现了39 k的超导性，后来被证明是一种常规超导体。目前发现的临界温度最高的常规超导体，距离40 k的上限只有一步之遥..之所以能达到这么高的临界温度，是因为这种超导材料中的多种电子参与了超导电子配对，也叫多带超导体(见图4)。由于它是传统的超导体，40 k的麦克米兰极限也适用于二硼化镁。十多年来，物理学家们一直无法突破这个 紧箍咒 无论如何掺杂或加压mgb2。由此可见，要找到一种40 k以上的高温超导材料有多难！
图4二硼化镁、铁基超导材料和铜基超导材料的典型结构和费米表面。
高温超导体的发现，在当时沉闷的超导研究领域敲响了一声春雷，人们对超导的未来发展充满了期待。然而现实总是残酷的，似乎触手可及的室温超导梦想卡在了164 k的世界纪录上，再往上挪半步也不再困难。当人们试图大规模推广高温超导高压在液氮温区的应用技术时，发现其实是 丑陋无用的 。氧化铜本质上是一种陶瓷材料，机械性能脆弱，缺乏柔性和延展性，在物理上临界电流密度太小，在承载大电流时容易失去超导性而迅速发热。科学家们努力了20多年，虽然氧化铜超导线圈已经开始进入市场，但是超导高压的大部分应用还是在常规的金属合金超导体上。
然而，塞翁失马焉知非福。铜基超导的弱电应用近年来发展迅速，已成为超导应用的一大分支。用铜基超导材料制成的超导量子干涉仪是目前世界上最灵敏的磁探测技术，也是超导量子比特的基本单元。未来世界上可能会出现以超导量子比特为单位的量子计算机——基于量子力学的高速计算机。由氧化铜超导薄膜制成的超导微波器件正在走向商业化和市场化。你正在使用的3g或4g手机，其通信基站很可能使用了高信噪比的超导滤波器。这些高性能微波器件在军事装备、卫星通信、航空航天等领域也很有用。因为铜基超导体是非常规超导体中最特殊的，所以也具有非常重要的基础研究价值。高温超导的微观机制已经成为凝聚态物理皇冠上的明珠之一。
挑战远比预期的困难。人们发现，高温超导体中很多新奇的物理现象可能是目前物理学理论体系无法理解的，而最麻烦的是这类材料中的电子之间存在强关联效应，成为强关联体系。经过近30年的奋斗，人们对铜基超导体达成共识的研究结论很少，更多的是充满争议和困惑。用理论来指导寻找具有更高临界温度的超导体几乎是疯狂的，但是实验物理学家只能凭经验和感觉大海捞针。
2008年3月1日至5日，一批活跃在超导研究前沿的科学家齐聚科学院物理研究所，参加了2008 高温超导机理研究与应用态势评估研讨会；探索高温超导研究失落的未来，试图找到铜基高温超导研究的突破点。而此时，位于合肥的物理所超导实验室和极端条件实验室，已经悄然走在了超导研究改革的前沿。
2008年2月23日，西野秀夫 美国的研究小组报道在掺氟的lafeaso体系中存在26 k的超导性。我国科学家一得到消息就合成了这种物质，并对其物理性质进行了研究。其中，物理所和中科大的研究人员通过稀土替代法获得了一系列高质量的样品，惊喜地发现其临界温度超过了40 k，优化合成方法后可以获得55 k的高临界温度。新一代高温超导体——铁基高温超导体诞生了。
这一次，从发现新的超导体到临界温度突破麦克米兰极限，用了不到三个月的时间，几乎以天为单位不断更新新的超导记录。随后的几年里，不断发现砷化铁、硒化铁等新的铁基超导体系。典型的前驱体如lafeaso、bafe2as2、lifeas、fese等。这些材料可以通过几乎所有原子位置的不同掺杂获得超导性，我国科学家发现了大量的铁基超导体系(见图5和图6)。
图5铁基超导体的发现时间及其超导临界温度。
图6发现铁基超导的典型母体结构。
根据铁基超导材料(碱金属或碱土金属、稀土金属、过渡金属、磷族元素、氧族元素)的基本组合规则，粗略估计有3000多种家族成员，而今天发现的体系只有9根牛一毛，真的是迄今为止最大的超导家族。铁基高温超导体的发现无疑注入了一股前所未有的 强心剂 投入到当时几乎被压抑的高温超导体研究中，持续了一百多年的超导研究从此焕发了新一轮的青春活力。
作为仅次于铜基超导体的第二大高温超导体家族，铁基超导体具有更丰富的物理性质和更大的潜在应用价值。它与铜基超导体有着类似的关系，其晶体结构、磁结构和电子相图都非常相似(见图7)。但在电子结构上属于像二硼化镁一样的多能带超导体(见图4)。它的基体更具金属性，与绝缘的氧化铜基体完全不同(氧化铜只有掺杂后才呈现金属性)；目前已经证实电子配对的概念仍然适用，在配对介质上可能类似于铜基超导体，但配对更接近于传统的金属超导体。
基本上铁基超导体更像是铜基超导体和传统金属超导体之间的桥梁，使人们有可能 摸着桥过河从已知的常规超导机制到原本模糊的铜基高温超导机制(见图4)。通过多年来在铜基超导研究方面的经验和技术积累，铁基超导发现后，超导的实验技术和理论基础研究的进展较铜基超导有了很大的加快。目前，近6年的研究成果几乎可以媲美铜基超导近30年的研究成果，甚至在某些方面超越了以往对高温超导的认识，高温超导微观机制的研究遇到了前所未有的良好机遇。
在应用中，铁基超导体因其金属特性更容易加工成线材和带材，所能承载的上临界磁场/临界电流与铜基超导体相当，甚至可能更优越。当然，铁基超导材料的制备大多数情况下需要砷化合物和碱金属或碱土金属，其毒性很强，对空气极其敏感，这对材料的制备技术和安全性提出了更高的要求。
在超导的弱电应用中，铁基超导还处于起步阶段，与铜基超导成熟的弱电应用相差甚远。从材料的角度来看，铁基超导体更加灵活多变，大大拓展了高温超导体的研究空间，很多实验现象也可以在不同的体系中进行比较，从而得出更具普适性的结论。如前所述，在铁基母体材料中几乎任何原子位置掺杂不同价态甚至相同价态的元素都可以实现超导，不同体系材料的超导性也随外压的变化而变化。
更有趣的是，日本科学家还发现，浸泡在各种酒里的母体材料也可以超导。这真的是 醉酒的意义不是酒，而是超导！ 铁基超导体的发现极大地鼓舞了超导材料探索者的信心，正如发现二硼化镁的日本科学家所说: 我相信世界上所有的材料都有可能成为超导体，只要达到足够多的载流子，足够强的压力或者足够低的温度等外界条件，就有希望实现超导！ (比如根据bcs理论，如果金、银、铜等简单物质都是超导的，那么它们的临界温度就非常接近绝对零度。)
图7铜基超导体和铁基超导体有相似的电子态相图。
在含铁化合物中发现高温超导性本身就是一个突破，因为一般认为铁离子具有磁性，会极大破坏超导性。出乎意料的是，在砷化铁基体中掺杂磁性离子(如钴、镍)会诱发超导。铁基超导的发现证明了磁性和超导其实是可以和平共存的，新超导体的发现往往打破常规。
2001年，科学家发现非磁性元素铁在高压下会出现超导性。令人惊讶的是，在2008年之前，含铁合金或化合物超导材料有1种。0多种，从这个角度来说，铁基超导一点都不稀奇！
但是，新超导体的发现确实需要机遇，运气和长期的经验积累。日本的hideo nishino起初并不研究超导，但他的研究小组一直致力于寻找透明导电氧化物材料。早在2000年左右，他就开始寻找lacuso、lamnpo等结构相似的导电材料，并在2006年意外发现lafepo材料中存在约3 k的超导性，随后意识到la feso化合物中也可能存在超导性。通过掺杂氟，
关于铁基超导，有几个有趣的史实。从1977年到1995年，德国科学家w. jeitschko的研究组一直在研究与lafepo结构相似的化合物，他们先后合成了磷化铁、磷化钴和磷化钌。2000年，同样晶体结构的稀土砷化铁也制备成功。遗憾的是，他们并没有进一步用氟替代掺杂，只是与新超导体的发现擦肩而过。更令人印象深刻的是铁基超导体(如eufe2as2、kfe2as2、rbfe2as2、csf《科学》杂志报道的那样的研究成果；;的不断涌现表明已经成为凝聚态物理领域的强国。 2008年，铁基超导被多家媒体评为世界十大科学进展之一，铁基超导研究团队获得 寻求杰出科学成就集体奖2009年和2013年国家自然科学一等奖，极大地鼓舞了铁基超导相关研究人员的信心。
从1911年发现常规金属超导体到1957年建立bcs超导微观理论，常规超导机制的求解走过了46年的漫长历程。如今，距离1986年发现高温超导体已经过去了近30年。随着2008年铁基超导体的发现，高温超导体机理的研究开始加速，普遍认为建立高温超导体微观理论的目标已经不远。
在新型超导材料的探索中，几乎每年都会发现很多新型超导材料。虽然大部分临界温度都在40 k以下，但其中所展现出的新奇的物理性质还是值得人们关注的。科学家仔细研究这种 出乎意料和不合理的 铁基超导可能再次诞生的惊喜。谁也不能否认，在不久的将来，室温超导的终极梦想可能会实现，甚至被广泛应用。届时，我们生活的世界将发生翻天覆地的变化，其中来自的科学家的贡献将永远值得铭记。
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