物理学的“巨人之战” 高温超导的过去、现在和未来

铁基超导的发现再一次突破超导材料探索的“普适规律”，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，铁砷化物母体中掺杂如钴和镍等磁性离子后，反而会诱发超导电性，这意味着磁性和超导完全可以“和平共处”。尽管德国科学家雅伊奇科(W. Jeitschko)的研究组从1977年到1995年一直在研究和LaFePO具有类似结构的化合物，他们却和铁基超导的发现擦肩而过。而非超导领域的日本科学家细野秀雄则幸运地把握住了机会，发现这类铁磷族氧化物存在超导电性，并在他们发表的论文中引用了德国科学家的成果。中国科学家敏锐地注意到了这几篇重要的引文，并在第一时间利用稀土替代效应和高温高压迅速合成材料方法成功突破了麦克米兰极限，在极短的时间内吸引了全世界凝聚态物理学家的目光。在已发现的十余种铁基超导体系中，中国科学家独立发现了4种。他们并没有因此停下探索新铁基超导材料的步伐，特别是在铁硒基材料的研究中，不断涌现惊喜：2010年，中科院物理所和浙江大学的团队发现KxFe2-ySe2体系存在30开以上的超导电性;2012年，

清华大学和中科院物理所的团队在仅有一个原子层的FeSe薄膜上发现了65开以上的超导电性，在上海交通大学、复旦大学、北京大学等研究团队的推动下，发现这类超导现象可能源于界面效应，还有可能出现100开以上的高温超导电性;2014年，中国科技大学的团队在插层的(Li1-xFex)OHFe1-ySe体系中发现42开的超导电性，2015年再次在门电压调控的FeSe单晶材料中实现48开的超导电性……

典型超导材料发现年代及其临界温度

令人欢欣鼓舞的是，中国科学家在铁基超导领域做出的贡献，远远不局限于材料的发现和临界温度的提高，而是在实验、理论和应用等各个方面都做到了世界领先。由于掌握了样品材料的先机优势，中国科学家率先广泛地开展了铁基超导的物性和机理研究。实验物理学家迅速重复了日本科学家的结果，并在此基础上开展了常规的电、磁、热输运等物性测量，以及初步的电荷动力学和超导能隙测量;从这些早期数据中，理论物理学家推测铁基超导材料具有自旋密度波形式的长程磁有序，这意味着铁基超导材料极有可能和铜基超导材料一样，同属于非常规超导体，随后中子散射等实验给出了确切的证据。

已知的多个体系的铁基超导材料的磁结构都是由中国或华人物理学家团队确定的。最先获得高质量单晶样品后，中国物理学家开展了首个电子结构和能隙分布的角分辨光电子能谱测量，确认这类材料具有多个费米面，且超导能隙都是各向同性的，最早从实验上给出了多带超导的直接证据。接着，一系列深入而系统的高质量研究成果频现中国：强磁场输运实验发现铁基超导材料具有很高的上临界场，且超导倾向于各向同性;红外光谱实验发现谱重转移现象和电子的洪特关联态;扫描隧道谱实验最早发现了磁通束缚态，并对磁通涡旋、表面重构、超导能隙空间部分等开展了详细的研究;核磁共振实验研究了超导和磁有序共存的物理问题，发现低能自旋涨落对超导起关键作用;中子散射实验对磁有序、磁激发和高能自旋涨落谱开展了非常系统的研究，指出形成高温超导电性的关键是磁性涨落，并率先发现各种奇异量子态;基于理论计算，成功预言了铁基超导的多种物理特性并提出可能的高温超导微观模型;在材料应用上，成功利用铁基材料获得了很高的临界电流密度和高质量的超导薄膜。不仅如此，中国科学家还和国际同行开展了广泛的合作，近些年的国际会议里，中国和华人科学家已经成为铁基超导研究的主角。

在铁基超导材料探索过程中，中国科学家还发现了许多“副产品”。例如，2011—2013年，发现一类具有和铁基材料相同结构的Li(Zn,Mn)As、(Ba,K)(Zn,Mn)2As2等稀磁半导体;2013年，发现TlNi2Se2和TlNi2S2等重费米子超导材料;2014—2015年，发现第一个在高压下呈现超导性质的铬基和锰基超导材料CrAs和MnP，发现第一个准一维铬基砷化物超导材料K2Cr3As3。

2011年，在碱金属掺杂的少层石墨烯、三苯环和七苯环结构的稠环芳香烃中发现了超导电性，为有机超导家族增添了几个新成员。特别是在高压技术的帮助下，诸多新型的超导材料不断被发现，例如2013年在拓扑绝缘体Bi2Se3、Sb2Te3等材料中发现超导;2015年在巨磁阻材料WTe2中发现超导;2015年在拓扑材料ZrTe5和HfTe5中发现超导。

越来越多的铁基超导重要研究成果来自中国，中国科学家已经走在了引领国际超导研究潮流的先锋队伍当中。正如美国《科学》杂志一篇题为《新超导体将中国物理学家推到最前沿》的报道所言：“中国如洪流般不断涌现的研究结果标志着在凝聚态物理领域，中国已经成为一个强国。” 2008年铁基超导被多家机构评为世界十大科学进展之一，中国铁基超导研究团队获得了2009年度“求是杰出科学成就集体奖”和2013年度国家自然科学一等奖，这些奖项的获得极大地鼓舞了铁基超导相关科研人员的信心。我们完全有理由相信，未来的高温超导研究中，一定会有更多的惊喜来自中国。

超导研究挑战与展望

铁基超导的发现，不仅意味着科学家终于在20多年后找到了另一种高温超导材料，更意味着探寻非常规超导或高温超导机理多了许多可能的道路。铁基超导的物理性质非常丰富，是沟通非常规超导和常规超导的完美桥梁。例如，铁基超导材料具有层状晶体结构和反铁磁母体结构，超导和磁性之间存在竞争和共存，有着复杂的电子态相图，自旋涨落可能在超导电子配对过程中起着关键作用，这些都是具有20开以上临界温度的非常规超导材料的共性。然而，铁基超导母体并非像铜氧化物一样是绝缘体，而是金属态，内部电子间虽然存在相互作用和关联，但其关联强度属于中度，采用传统的理论数值计算方法可以预言出大体的电子态性质，这和常规的金属超导体又十分相似。特殊的地方还在于，类似于常规超导体MgB2，铁基超导材料也是多带超导体，这给铁基超导的机理研究带来了巨大挑战，因为现有的物理手段难以精确测定每一类电子在超导态中的具体角色，更何况不同类电子之间并不是完全独立的，互相之间还存在复杂的相互作用。幸运的是，铁基超导材料的灵活度非常大，几乎在材料中的每一种原子位置进行类似的元素替代或掺杂都可以引起超导，高压、水或离子插层、载流子注入等多种方法同样可以实现超导，这样就可以多方位地调控超导、磁性、电子态等，有利于寻找出具体的关键物理因素。

高压是寻找新超导材料的一个非常有效的工具。一方面，高压可以在新颖材料中探索超导电性的可能;另一方面，高压可以提高超导材料的临界温度，如常压下汞系铜基超导体临界温度记录为135开，高压下可提升至164开;常压下LaFeAsO1-xFx体系临界温度为26开，高压下可以达到43开。事实上，即便在BCS理论框架下，如果能够实现高密度轻元素金属，也极有可能获得高温超导体。早就有理论预言，金属氢材料可能是室温(临界温度大于300开)超导体，然而多年的尝试并未获得成功。2014年，吉林大学的研究人员从理论上预言H2S-H2化合物在高压下可实现191开的高温超导，将突破164开的临界温度记录。2015年，德国物理学家在实验上成功测量了200万个大气压下的H3S的电阻和磁化率，发现了高达203开的超导电性，距离300开的室温超导之梦已经咫尺之遥。

2016年是高温超导发现30周年，随着铁基超导的助力，高温超导机理研究已经步入加速阶段，相信在不久的将来，高温超导机理的面纱终会全面揭开，整个凝聚态物理也将发生革命性的变化。纵观超导材料探索历史，几乎每年度都会有多个新型超导材料被发现，我们也完全有理由相信，有朝一日室温超导终会实现。在超导强电和弱电应用逐步商业化之后，作为未来材料，超导定然会给世界带来翻天覆地的变化。中国人的超导梦，将会走得更远。中国科学家的卓越贡献，也将永被世人铭记。

罗会仟，副研究员：中国科学院物理研究所，北京100190。hqluo@iphy.ac.cn

Luo Huiqian, Associate Research Professor: Institute of Physics, CAS, Beijing 100190.

张裕恒. 超导物理. 中国科学技术大学出版社, 2009.

章立源. 超越自由: 神奇的超导体. 科学出版社, 2005.

周午纵, 梁维耀. 高温超导基础研究.上海科学技术出版社,1999.

Goll G. Unconventional superconductors: experimental investigation of the order-parameter symmetry. Dordrecht：Springer Science & Business Media, 2006.

Kamihara Y, Watanabe T, Hirano M, et al. Iron-based layered superconductor La [O1-x Fx] FeAs (x= 0.05-0.12) with Tc= 26 K. Journal of the American Chemical Society, 2008, 130(11): 3296-3297.

Wen H H. Developments and perspectives of iron‐based high‐temperature superconductors. Advanced Materials, 2008, 20(19): 3764-3769.

Stewart G R. Superconductivity in iron compounds. Reviews of Modern Physics, 2011, 83(4): 1589.

Lee P A, Nagaosa N, Wen X G. Doping a Mott insulator: physics of high-temperature superconductivity. Reviews of Modern Physics, 2006, 78(1): 17.

Tranquada J M, Xu G, Zaliznyak I A. Superconductivity, antiferromagnetism, and neutron scattering. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2014, 350: 148-160.

Johnson P D, Xu G, Yin W G. Iron-based superconductivity. New York: Springer, 2015.

Iron-based superconductors: materials, properties and mechanisms. CRC Press, 2012.