中國鐵基超導紀實：中美日超導大戰(zhàn)領先者天天換

上世紀80年代末90年代初，中、美、日三國科學家的“超導大戰(zhàn)”至今仍讓人記憶猶新。在那場“大戰(zhàn)”中，中國科學院物理研究所超導研究團隊不分晝夜地在實驗室工作，困得實在受不了了，就在桌子上躺一躺或在椅子上靠一會兒打個盹兒，醒了繼續(xù)做實驗。那時，他們研究的是銅氧化物高溫超導體。

正是在這一波研究熱潮中，物理所科研人員開創(chuàng)性地使用了便宜而好用的液氮替代昂貴的液氦來實現(xiàn)超導轉變溫度，為超導研究和應用開辟了一片嶄新的天地，大大方便和加速了全世界的高溫超導研究。

時隔20年后，日本科學家發(fā)現(xiàn)在臨界轉變溫度為26K時，鐵砷化合物具有超導電性。以物理所和中國科技大學為代表的中國科學家們則發(fā)現(xiàn)一系列高于麥克米蘭極限溫度的鐵基超導體，使之成為第二個高溫超導家族。他們還創(chuàng)造了鐵基超導體臨界轉變溫度的世界紀錄。

當被問及成功的秘訣時，他們的回答是：堅持。

在銅氧化物高溫超導體突破了麥克米蘭極限溫度以后，全世界科學家對超導材料的探索一度陷入迷茫，國際上的相關研究進入低谷。在各種學術期刊，特別是那些高影響因子的期刊上發(fā)表高溫超導論文變得愈發(fā)困難。

國內的高溫超導研究也因此受到了影響，有些研究人員在數(shù)次碰壁后紛紛轉到其他領域，很多團隊都不得不解散。物理所和中國科技大學的超導研究團隊卻一直抱著對超導科學的渴求，堅守著這塊陣地，持之以恒地進行著實驗，無數(shù)次的制備、觀察、放棄、重新開始……

于無聲處聽驚雷。沉寂是在新事物出現(xiàn)之前免不了的一個階段。“熱的時候堅持，冷的時候也堅持；錢多的時候堅持，錢少的時候也堅持。”

二三十年的不懈探索，這支隊伍在鐵基超導材料的探索中掀開了新篇章，創(chuàng)造了中國超導又一個新奇跡，使超導界的未來之路又變得光明起來。

正如《科學》雜志在一篇題為《新超導體將中國物理學家推到最前沿》的文章中所說：“中國如洪流般不斷涌現(xiàn)的研究結果標志著在凝聚態(tài)物理領域，中國已經成為一個強國�！�

1911年，荷蘭科學家發(fā)現(xiàn)水銀在極低溫條件下的超導性，開辟了科學研究的新領域；1986年，德國科學家與瑞士科學家發(fā)現(xiàn)了臨界轉變溫度為35K的銅氧化物超導體，很快包括中國科學家在內的研究團隊將銅氧化物超導體的臨界轉變溫度提升到液氮溫區(qū)以上，突破了麥克米蘭極限溫度，使其成為高溫超導體。時隔20年后，日本科學家發(fā)現(xiàn)鐵砷化合物的超導性，中國科學家又發(fā)現(xiàn)一系列高于傳統(tǒng)超導體極限臨界溫度的鐵基超導體，使之成為第二個高溫超導體家族。

中國科學家新發(fā)現(xiàn)的鐵基高溫超導材料激發(fā)了物理和材料學界新一輪高溫超導研究熱，它將中國的凝聚態(tài)物理學家推向了最前沿，也讓全世界都看到了中國在凝聚態(tài)物理領域展現(xiàn)出的強大實力。

超導是20世紀最偉大的科學發(fā)現(xiàn)之一超導電性的簡稱，指的是某些材料在溫度降低到某一數(shù)值以下時，電阻突然消失并且不能被磁場穿過的現(xiàn)象。這樣的材料稱為超導體，而這個溫度稱為超導臨界溫度，或超導轉變溫度。

令科學家困擾的是，超導體的轉變溫度不能超過40K（約零下233攝氏度），這個溫度也被稱為麥克米蘭極限溫度。

1986年，兩名歐洲科學家發(fā)現(xiàn)以銅為關鍵超導元素的銅氧化物超導體的轉變溫度高于40K，因而被稱為高溫超導體。

2008年以來，在日本科學家發(fā)現(xiàn)鐵砷化合物的超導性之后，以中國科學家為主發(fā)現(xiàn)了一系列新超導體，它們都是以鐵為關鍵超導元素，轉變溫度可以到達40K以上。這些超導體統(tǒng)稱為鐵基高溫超導體。

過去探索高溫超導的人都怕鐵，只要有鐵，這個系統(tǒng)的臨界溫度就高不了。鐵基化合物由于其磁性因素，曾一度幾乎被無數(shù)國際頂尖物理學家斷言為探索高溫超導體的禁區(qū)。

直到2008年2月18日，日本東京工業(yè)大學教授細野秀雄和他的合作者在《美國化學會志》上發(fā)表了一篇兩頁的文章，指出氟摻雜鑭氧鐵砷化合物在26K時即具有超導電性。

這個材料的結構和正常態(tài)的物理特點與我們長期以來的研究思路完全一致，能出現(xiàn)26K的超導性。基于長期的相關研究，他們認為在某些有特殊自旋和電荷有序性質的層狀結構體系中可能存在高溫超導體，并一直不懈探索。此前，物理所就有幾個小組研究有關材料的結構、磁學性質和超導性問題。

2008年3月初，物理所的一些研究人員認為：鑭氧鐵砷化合物不是孤立的，26K的轉變溫度也大有提升空間，類似結構的鐵砷化合物中很可能存在系列高溫超導體。

3月25日，正當國際物理學界對鐵基超導體是不是高溫超導體舉棋不定時，中國科技大學陳仙輝研究組在SmO1-xFxFeAs體系常壓下發(fā)現(xiàn)超導轉變溫度為43K的超導電性；3月26日，王楠林、陳根富也獨立發(fā)現(xiàn)了41K的CeFeAs(O，F(xiàn))新超導體。這些結果突破了傳統(tǒng)超導的麥克米蘭極限（40K），證明鐵基超導體是除銅氧化物之外的又一類非常規(guī)高溫超導體。這一發(fā)現(xiàn)在國際上引起了極大轟動，標志著經過20多年的不懈探索，人類發(fā)現(xiàn)了新一類的高溫超導體。