中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：凌晨兩三點(diǎn)鐘，中國科學(xué)院物理研究所（以下簡稱物理所）研究員王楠林和同事陳根富、雒建林匆匆走出D樓的大門，各自回家休息。
三四個(gè)小時(shí)后，他們又回到實(shí)驗(yàn)室繼續(xù)工作。
2008年3月，鐵基超導(dǎo)研究競爭全面鋪開，王楠林和他的同事經(jīng)常要過著這樣的生活：在實(shí)驗(yàn)室工作到凌晨，回家沖個(gè)澡，休息幾個(gè)小時(shí)甚至個(gè)把鐘頭，便又回到實(shí)驗(yàn)室開始新一天的工作。
1911年,荷蘭物理學(xué)家卡麥林·昂尼斯發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)之后，已經(jīng)有10人因超導(dǎo)研究獲得諾貝爾獎(jiǎng)。因此，對超導(dǎo)機(jī)理以及全新超導(dǎo)體的探索，是當(dāng)今物理學(xué)界最重要的前沿問題之一，被譽(yù)為“20世紀(jì)最偉大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一”。
如此重要的領(lǐng)域，中國科學(xué)家自然不能缺席。
自2008年以來，他們將目光逐步對準(zhǔn)了鐵基高溫超導(dǎo)體。這種超導(dǎo)體以鐵為關(guān)鍵化學(xué)元素，與1986年歐洲科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的銅氧化物高溫超導(dǎo)體相比，在工業(yè)上更加容易制造，同時(shí)還能夠承受更大的電流，具有更廣泛的應(yīng)用。
物理所和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)（以下簡稱中科大）的中國科學(xué)家不僅首先使鐵基超導(dǎo)體突破了“麥克米蘭極限溫度”（40K，約零下233攝氏度），創(chuàng)造了鐵基超導(dǎo)體臨界轉(zhuǎn)變溫度的世界紀(jì)錄，并且在鐵基超導(dǎo)的電子結(jié)構(gòu)、物性和機(jī)理研究方面均達(dá)到國際一流水平，形成了強(qiáng)大的中國超導(dǎo)團(tuán)隊(duì)。
“一個(gè)或許本不該讓我驚訝的事實(shí)就是，居然有如此多的高質(zhì)量文章來自北京，他們確確實(shí)實(shí)已進(jìn)入了這一（凝聚態(tài)物理強(qiáng)國的）行列?！敝碚撐锢韺W(xué)家、美國佛羅里達(dá)大學(xué)教授Peter Hirschfeld評價(jià)道。
超導(dǎo)中的璞玉
早在2006年，陳根富在德國馬克斯-普朗克學(xué)會(huì)做訪問學(xué)者時(shí)，就對當(dāng)時(shí)報(bào)道的鑭氧鐵磷超導(dǎo)體很感興趣，并認(rèn)為用砷取代磷也可能具有超導(dǎo)等非常規(guī)的物理性質(zhì)。
2007年9月，陳根富一加入物理所王楠林研究組，就提出要做鑭氧鐵砷超導(dǎo)材料的制備研究，并計(jì)劃開展其他稀土替代物鈰氧鐵砷等材料的合成。
但稀土元素鑭、鈰等容易氧化，砷在空氣中又可能氧化生成砒霜。因?yàn)槿狈κ痔紫涞然驹O(shè)備，陳根富只得放棄鑭氧鐵砷材料的多晶制備，從難度更大的單晶生長入手。
為盡量避免稀土和砷粒被氧化，陳根富一邊戴著醫(yī)用膠皮手套和口罩防止砷中毒，一邊迅速取出玻璃管中封存的砷和稀土，稱量后立即將其封入鉭管，放入高溫爐中促使其進(jìn)行單晶生長。
經(jīng)過一段時(shí)間的摸索，閃著銀白色金屬光澤的片狀化合物單晶合成出來，后確認(rèn)為鐵砷。盡管沒有生長出預(yù)期的鑭氧鐵砷單晶樣品，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也為后面的研究奠定了基礎(chǔ)。
2008年2月18日，日本東京工業(yè)大學(xué)細(xì)野秀雄研究組報(bào)道在四方層狀的鐵砷化合物：摻氟的LaOFeAs（鑭氧鐵砷化合物）中存在轉(zhuǎn)變溫度為26K（零下247.15攝氏度）的超導(dǎo)電性。雖然這個(gè)轉(zhuǎn)變溫度仍然低于40K，但卻立刻引起了物理所從事超導(dǎo)研究人員的注意。
他們敏銳地發(fā)現(xiàn)，由于鐵的3d軌道電子通常傾向形成磁性，因此在該種結(jié)構(gòu)體系中出現(xiàn)26K超導(dǎo)非同尋常，極有可能具有非常規(guī)的超導(dǎo)電性。
“鑭氧鐵砷不是孤立的，26K的轉(zhuǎn)變溫度也大有提升空間，類似結(jié)構(gòu)的鐵砷化合物中很可能存在系列高溫超導(dǎo)體。必須抓住機(jī)遇，全力以赴！”中科院院士趙忠賢和團(tuán)隊(duì)成員得出一致結(jié)論。
東方超導(dǎo)強(qiáng)國
只有26K，遠(yuǎn)低于40K的“麥克米蘭極限溫度”。當(dāng)時(shí)的國際物理學(xué)界對鐵基超導(dǎo)體仍舉棋不定。
中國人的堅(jiān)持徹底打消了外國人的疑慮。
“在過渡金屬化合物中，除了銅氧化物，鑭氧鐵砷的臨界溫度已經(jīng)非常高了。特別是鐵容易形成鐵磁有序，居然能夠在這么高的溫度就實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)，我們非常感興趣?！蓖蹰滞Ｏ铝耸种械钠渌ぷ?，召開組會(huì)，動(dòng)員課題組全力以赴投入到鐵基超導(dǎo)體的研究當(dāng)中。
由于之前試圖生長鐵砷化合物單晶時(shí)積累下不少經(jīng)驗(yàn)，陳根富很快就在剛調(diào)試好的手套箱上，以另外一種合成路徑制備出臨界溫度超過20K的鑭氧鐵砷多晶樣品，課題組其他成員迅速進(jìn)行物性表征。
那段日子，陳根富和同事每天睡眠時(shí)間極少，不僅要自己探索新材料，還要為其他研究組提供高質(zhì)量的超導(dǎo)樣品。
當(dāng)時(shí)，很多國外研究組苦于沒有樣品，做不了實(shí)驗(yàn)，紛紛向物理所請求樣品支援。美國普林斯頓大學(xué)的一位教授在E-mail中甚至提到請諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主P. W. Anderson給物理所所長王玉鵬寫信，希望拿到一些鐵基超導(dǎo)單晶樣品。
但王玉鵬建議：“有富余的應(yīng)先滿足中國同行?！?
隨后，正如《科學(xué)》雜志一篇題為《第二類高溫超導(dǎo)家族被發(fā)現(xiàn)》的報(bào)道中所說的：“接著，中國研究者（將超導(dǎo)研究）接管過來”。
不到一個(gè)星期的時(shí)間，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)陳仙輝研究組和王楠林研究組幾乎同時(shí)分別在SmO1-xFxFeAs（鐵基砷化物）體系和CeFeAs（O,F）中觀測到了43K和41K的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度，突破了“麥克米蘭極限”，從而證明鐵基超導(dǎo)體是繼銅氧化物后的又一類非常規(guī)高溫超導(dǎo)體。
這一發(fā)現(xiàn)在國際上引起極大轟動(dòng)，標(biāo)志著經(jīng)過20多年的不懈探索，人類發(fā)現(xiàn)了新一類的高溫超導(dǎo)體。
為進(jìn)行更加系統(tǒng)和深入的研究，趙忠賢研究組利用高壓合成技術(shù)制備出一大批不同元素構(gòu)成的鐵基超導(dǎo)材料并制作了相圖。這一成就被國際物理學(xué)界公認(rèn)為鐵基高溫超導(dǎo)家族基本確立的標(biāo)志。
在這一過程中，他們不僅率先使轉(zhuǎn)變溫度突破了50K，更創(chuàng)造了55K的鐵基超導(dǎo)體轉(zhuǎn)變溫度世界紀(jì)錄。
中國科學(xué)家爭分奪秒的研究引領(lǐng)了國際超導(dǎo)研究的熱潮，取得了舉世矚目的成就。美國斯坦福大學(xué)教授Steven Kivelson感嘆道：“讓人震驚的不僅是這些成果出自中國，重要的是它們并非出自美國?！?
截至2013年1月4日，中國科學(xué)家在鐵基超導(dǎo)體研究上的8篇代表性論文SCI他引達(dá)到3801次，20篇主要論文SCI他引達(dá)到5145次。2013年2月，中國科學(xué)院國家科學(xué)圖書館統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，世界范圍內(nèi)鐵基超導(dǎo)研究領(lǐng)域被引用數(shù)排名前20的論文中，9篇來自中國，其中7篇來自物理所。
《科學(xué)》《自然》《今日物理》《物理世界》等國際知名學(xué)術(shù)刊物紛紛以專門評述或作為亮點(diǎn)進(jìn)行跟蹤報(bào)道。中國科學(xué)家的鐵基超導(dǎo)體工作研究也因此被評為《科學(xué)》雜志“2008年度十大科學(xué)突破”、美國物理學(xué)會(huì)“2008年度物理學(xué)重大事件”及歐洲物理學(xué)會(huì)“2008年度最佳”。
25年高溫超導(dǎo)夢
中國科學(xué)家此次能夠占領(lǐng)鐵基超導(dǎo)研究的制高點(diǎn)，絕非偶然。
2008年前，高溫超導(dǎo)家族中只有銅氧化物一枝獨(dú)秀。
1986年，兩名歐洲科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了以銅為關(guān)鍵超導(dǎo)元素的銅氧化物超導(dǎo)體，轉(zhuǎn)變溫度超過了“麥克米蘭極限溫度”，引起科學(xué)界轟動(dòng)。
第二年，趙忠賢等人也獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了起始轉(zhuǎn)變溫度在100K以上的Y-Ba-Cu-O（釔鋇鋼氧）新型超導(dǎo)體。大大加速了全球高溫超導(dǎo)的研究進(jìn)程，并榮獲1989年國家自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。同年，經(jīng)當(dāng)時(shí)的國家計(jì)委批準(zhǔn)，物理所成立了國內(nèi)第一個(gè)、也是迄今為止唯一一個(gè)超導(dǎo)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。
然而熱潮之后，全球的高溫超導(dǎo)研究遇到了瓶頸。
當(dāng)時(shí)熱門的銅氧化物高溫超導(dǎo)體屬于陶瓷性材料，制作工藝極其復(fù)雜，難以大規(guī)模應(yīng)用。而且其中豐富物理內(nèi)涵的高溫超導(dǎo)機(jī)理也沒有得到解決。20世紀(jì)90年代中后期，國際物理學(xué)界傾向認(rèn)為銅氧化物超導(dǎo)體能給出的信息基本上挖掘殆盡。
與之相伴的是，在各種國際學(xué)術(shù)期刊發(fā)表高溫超導(dǎo)的論文越來越難，特別是高影響因子的期刊。國內(nèi)的高溫超導(dǎo)研究也因此遭到了沉重打擊，不少研究人員轉(zhuǎn)向其他領(lǐng)域。
但趙忠賢等人堅(jiān)信“作科學(xué)研究是為了探索物質(zhì)世界的奧秘”，頂著“沒有好文章”的壓力，繼續(xù)在某些具有特殊磁或電荷性質(zhì)的層狀結(jié)構(gòu)體系中探索可能存在的高溫超導(dǎo)體。
十年磨一劍。在中科院物理所和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的科學(xué)家們鍥而不舍的堅(jiān)持之下，終于找到了第二類高溫超導(dǎo)家族。
與第一類高溫超導(dǎo)家族相比，鐵基超導(dǎo)體三維性更強(qiáng)，自身的物理問題很豐富，有可能填補(bǔ)一些臨界溫度高的超導(dǎo)體不能滿足的方面，在臨界磁場和臨界溫度較高的器件方面發(fā)揮巨大的作用。
比方說，鐵基超導(dǎo)薄膜帶材在4.2K溫度和30特拉斯磁場下，超導(dǎo)臨界電流密度可以達(dá)到每平方厘米10萬安培，未來可以應(yīng)用于MRI和儲(chǔ)能等方面的超高強(qiáng)磁場領(lǐng)域。
“對鐵基超導(dǎo)體的研究或許能夠成為打開高溫超導(dǎo)迷宮之門的鑰匙。”《科學(xué)美國人》評價(jià)道。
但趙忠賢也強(qiáng)調(diào)，所有超導(dǎo)體包括金屬合金超導(dǎo)體在應(yīng)用的角度來講都是互補(bǔ)而不是替代的。因此，鐵基超導(dǎo)家族的發(fā)現(xiàn)只是一個(gè)開始，此次獲獎(jiǎng)也將是對人們思想解放的一次鼓勵(lì)。
中國超導(dǎo)團(tuán)隊(duì)
中國在鐵基超導(dǎo)上的成就絕非只是最初四個(gè)研究組的功勞。來自各個(gè)科研院所的科學(xué)家在鐵基超導(dǎo)上的研究成果為中國打造了強(qiáng)大的超導(dǎo)團(tuán)隊(duì)。
“中國在超導(dǎo)基礎(chǔ)研究方面有一支競爭力非常強(qiáng)的人才隊(duì)伍，其浩繁的任務(wù)量不是靠幾個(gè)人或幾個(gè)課題組就能完成的?！蓖蹰终J(rèn)為，從合成材料到物理實(shí)驗(yàn)、第一性原理計(jì)算，再到微觀理論，都有中國科學(xué)家在參與，特別是重要的實(shí)驗(yàn)技術(shù)都有中國人的身影，這種整體的進(jìn)步更能讓人看到中國在鐵基超導(dǎo)體方面的成績。
在他看來，中國在超導(dǎo)領(lǐng)域的競爭力與20多年前完全不同。
20世紀(jì)90年代，國內(nèi)超導(dǎo)工作的深刻程度與國際先進(jìn)水平差距很大，主要突破是在合成超導(dǎo)材料以及初步表征上，在提供電子結(jié)構(gòu)和電子微觀狀態(tài)信息的一些當(dāng)代尖端實(shí)驗(yàn)技術(shù)方面落后很遠(yuǎn)。
而現(xiàn)在，中國在這些方面已經(jīng)擁有一批受到良好訓(xùn)練的超導(dǎo)研究工作者，在鐵基超導(dǎo)的電子結(jié)構(gòu)、物性研究和機(jī)理研究方面均取得了國際一流的研究成果。
“如果現(xiàn)在鐵基超導(dǎo)家族出現(xiàn)一個(gè)有意思的系統(tǒng)，可以看到引領(lǐng)性的工作主要是由中國的科研人員在做?！彼f。
當(dāng)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的1111、122鐵基超導(dǎo)體系不斷產(chǎn)出優(yōu)秀論文的時(shí)候，物理所研究員靳常青堅(jiān)持認(rèn)為“別人嚼過的饃沒味道”，要做出自己的新體系。
通過不懈的嘗試和探索，他終于找到了第三種全新的111體系LiFeAs超導(dǎo)體，引起了強(qiáng)烈的國際反響。LiFeAs的自旋激發(fā)行為和其他體系有著明顯的不同，這對進(jìn)一步探索高溫超導(dǎo)的內(nèi)在機(jī)制和提高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度都有重要的意義。
浙江大學(xué)物理系教授許祝安和曹光旱領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)在1111結(jié)構(gòu)材料中采用+4價(jià)Th部分替代稀土離子，在Gd1-xThxFeAsO體系也獲得大致相同的最高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度；該小組還是國際上最先利用Co、Ni進(jìn)行FeAs層內(nèi)的元素替代并發(fā)現(xiàn)也可以誘導(dǎo)超導(dǎo)電性的研究組之一。
這是首次在準(zhǔn)二維層狀的超導(dǎo)體中發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)態(tài)的各向同性，揭示了鐵基超導(dǎo)材料有更好的應(yīng)用前景。
2010年，物理所陳小龍課題組發(fā)現(xiàn)了鉀鐵硒超導(dǎo)體系，并將臨界溫度升高到30K以上，相距其他超導(dǎo)體不遠(yuǎn)。鉀鐵硒在物理性質(zhì)和電子結(jié)構(gòu)上與鐵砷超導(dǎo)體存在較大差別，對之前研究鐵基超導(dǎo)所形成的物理基本看法又起到了第二次推動(dòng)作用。
在材料方面，清華大學(xué)物理系教授薛其坤、陳曦及物理所研究員馬旭村等在新材料制備技術(shù)和測量技術(shù)的幫助下，確認(rèn)了鐵硒超導(dǎo)體具有更大的能隙和超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度，為揭開鐵硒等鐵基超導(dǎo)體的超導(dǎo)機(jī)制之謎打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
此次研究中，中國科學(xué)家借用名為“分子束外延”這一半導(dǎo)體領(lǐng)域的制備技術(shù)，制造出了超高質(zhì)量的鐵硒超導(dǎo)單晶薄膜。這種新技術(shù)保證科學(xué)家可以精確控制薄膜中的每一種化學(xué)成分，精確度達(dá)到原子水平。
厚積薄發(fā)，成就井噴之勢。中國超導(dǎo)團(tuán)隊(duì)在鐵基超導(dǎo)上的成就已經(jīng)吸引了全世界的矚目。
正如《科學(xué)》雜志在一篇題為《新超導(dǎo)體將中國物理學(xué)家推到最前沿》的文章中所說：“如洪流般不斷涌現(xiàn)的研究結(jié)果標(biāo)志著在凝聚態(tài)物理領(lǐng)域，中國已經(jīng)成為一個(gè)強(qiáng)國?！?
