超导有什么用超导有哪些应用( 四 ) _小知识

这一次从新超导体发现到临界温度突破麦克米兰极限仅仅用了不到三个月的时间，新的超导记录几乎以天为单位在不断更新。在随后几年里，新的铁砷化物和铁硒化物等铁基超导体系不断被发现，典型母体如 LaFeAsO、BaFe2As2、LiFeAs、FeSe 等，这些材料几乎在所有的原子位置都可以通过不同的掺杂而获得超导电性，其中大量铁基超导体系由中国科学家所发现（见图5 和图6）。

文章插图
图5 铁基超导体发现时间及其超导临界温度

文章插图
图6 已发现的铁基超导典型母体结构

根据铁基超导材料基本组合规则（碱金属或碱土金属+稀土金属+过渡金属+磷族元素+氧族元素），粗略估计其家族成员数目有3000多种，现今发现的体系不过是其中九牛一毛，真可谓是至今为止最庞大超导家族。铁基高温超导体的发现无疑为当时几近低迷的高温超导研究注入了一股前所未有的 “强心剂”，已逾百年的超导研究从此焕发了新一轮的青春活力。

作为继铜基超导体之后的第二大高温超导家族，铁基超导体具有更加丰富的物理性质和更有潜力的应用价值。它和铜基超导体存在 “形似而神不似”关系，晶体结构、磁性结构和电子态相图均非常类似（见图7）；但是它从电子结构角度又属于类似二硼化镁那样的多带超导体（见图4）；其母体更具有金属性，和具有绝缘性的铜氧化物母体截然不同（铜氧化物仅在掺杂后才出现金属性）；目前已经确认电子配对概念仍然适用，在配对媒介上可能和铜基超导体类似，但配对方式却更接近于传统金属超导体。

总体来说，铁基超导体更像是介于铜基超导体和传统金属超导体之间的一个桥梁，使得人们有可能从已知的常规超导机理 “摸着桥梁过河” 到原本模糊不堪的铜基高温超导机理（见图4）。通过多年来在铜基超导研究中的经验和技术积累，在铁基超导发现之后，有关超导的实验技术和理论基础研究进度相比铜基超导当年已是大大加速，目前6 年来的研究成果几乎可以和铜基超导近30 年以来的研究成果相匹敌，在某些方面甚至超越了之前高温超导研究的认识，高温超导微观机理的研究遇到了前所未有的良好契机。

在应用方面，铁基超导体由于其金属性，更加容易被加工成线材和带材，而其可承载的上临界磁场/ 临界电流和铜基超导体相当，甚至有可能更优越。当然，制备铁基超导材料大部分情况下需要砷化物和碱金属或碱土金属，具有较强的毒性同时又对空气异常敏感，这对材料制备工艺和使用安全方面提出了更高的要求。

在超导的弱电应用方面，铁基超导还处在刚刚起步阶段，相对已经趋于成熟的铜基超导弱电应用还有很大差距。从材料角度来说，铁基超导体更具有灵活多变性，这让高温超导的研究空间大大得到了拓展，许多实验现象也可以在不同体系中进行比照研究，从而得出更加普适的结论。如前所述，几乎在铁基母体材料中的任何一个原子位置进行不同价位甚至同价位的元素掺杂都可以实现超导电性，不同体系材料的超导电性随外界压力演变也有所不同。

更有趣的是，日本科学家还发现，用各种酒泡过的母体材料也可以超导，真是“醉翁之意不在酒，在乎超导之间也！”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豪言：“我相信世界上所有材料都有可能成为超导体，只要达到足够多载流子或足够强的压力或足够低的温度等外界条件，就有希望实现超导！”（例如，按照BCS理论推断，如果金、银、铜等单质超导，其临界温度已非常接近绝对零度。）

文章插图
图7 铜基超导体和铁基超导体具有类似的电子态相图

在含铁的化合物中寻找到高温超导电性本身就是一件突破常规的事情，因为通常认为铁离子带有磁性，会极大地破坏超导。出乎意料的是，在铁砷化物母体中掺杂磁性离子（如钴和镍）反而会诱发超导电性，铁基超导的发现证明，磁性和超导其实完全可以 “和平共处”，新超导体的发现往往就在打破常规之处。

在2001 年科学家发现无磁性的单质铁在高压下也会出现超导电性。令人惊讶的是，2008 年之前发现的含铁的合金或化合物超导材料有10 余种之多，从这个角度来说，铁基超导一点都不稀奇！

超导有什么用 超导有哪些应用( 四 )

超导有什么用超导有哪些应用( 四 )