超導(dǎo)有什么用？鐵基超導(dǎo)又是什么？
撰文 | 羅會(huì)仟
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自2008 年凝聚態(tài)物理學(xué)領(lǐng)域掀起鐵基高溫超導(dǎo)研究熱潮以來，鐵基超導(dǎo)的科學(xué)研究已經(jīng)步入第6 個(gè)年頭（注：本文發(fā)表于2014年，到2020年鐵基超導(dǎo)的科學(xué)研究已有12年），發(fā)表的有關(guān)鐵基超導(dǎo)研究論文已經(jīng)數(shù)萬篇。截止到2013 年2 月，全世界在鐵基超導(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。鐵基超導(dǎo)至今仍然是凝聚態(tài)物理基礎(chǔ)研究的前沿科學(xué)之一，吸引了世界上諸多優(yōu)秀科學(xué)家的目光。
為什么鐵基超導(dǎo)如此特別？它的發(fā)現(xiàn)對(duì)基礎(chǔ)物理研究有著什么樣的重要影響？中國人在鐵基超導(dǎo)洪流中起到了什么樣的角色？本文將為您逐一揭曉鐵基超導(dǎo)的前世今生。
19 世紀(jì)末20 世紀(jì)初，人們?cè)跉怏w理論的指導(dǎo)下在實(shí)驗(yàn)室不斷將各種氣體液化，創(chuàng)下了一系列低溫記錄。直至1908 年7 月10 日，荷蘭萊頓大學(xué)的昂尼斯等人成功把最后一個(gè) “頑固的氣體”——氦氣液化，確立液氦沸點(diǎn)為4.2 K（熱力學(xué)溫標(biāo)中，0 K 對(duì)應(yīng)著－273.2℃，4.2 K 即相當(dāng)于－269℃），從此開啟了低溫物理研究的新篇章（見圖1）。
1911 年4 月8 日，昂尼斯等試圖研究金屬在低溫下的電阻行為，當(dāng)他們把金屬汞降溫到4.2 K時(shí)，發(fā)現(xiàn)其電阻值突然降到儀器測(cè)量范圍的最小值（10－5 Ω），即可認(rèn)為電阻降為零（見圖2）。昂尼斯把這種物理現(xiàn)象叫做超導(dǎo)，寓意超級(jí)導(dǎo)電，他本人因液氦的成功制備和超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)獲得了1913 年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。此后，人們又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了許多單質(zhì)金屬及其合金在低溫下都是超導(dǎo)體，一些非金屬單質(zhì)在高壓等特殊條件下也是超導(dǎo)體。在元素周期表中，除了一些磁性單質(zhì)、惰性氣體、放射性重元素和部分堿金屬外，許多元素單質(zhì)都是超導(dǎo)體。
1933 年，德國物理學(xué)家邁斯納通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，超導(dǎo)體存在其自身特性，和人們所猜想的理想金屬導(dǎo)體（低溫下電阻逐漸降為零）有很大的區(qū)別。即超導(dǎo)體除了零電阻外，它還具有另一種獨(dú)立的神奇特性——完全抗磁性。超導(dǎo)體一旦進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)，就如同武功大俠練就了 “金鐘罩、鐵布衫” 一樣，外界磁場(chǎng)根本進(jìn)不去，材料內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度為零。判斷一個(gè)材料是否屬于超導(dǎo)體，必須同時(shí)具有零電阻和完全抗磁性這兩個(gè)獨(dú)立特征。
利用零電阻的超導(dǎo)材料替代有電阻的常規(guī)金屬材料，可以節(jié)約輸電過程中造成的大量熱損耗；可以組建超導(dǎo)發(fā)電機(jī)、變壓器、儲(chǔ)能環(huán)；可以在較小空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)磁場(chǎng)，從而獲得高分辨的核磁共振成像，進(jìn)行極端條件下的物性研究，發(fā)展安全高速的磁懸浮列車等等。
超導(dǎo)磁體在基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)研究中有著不可替代的應(yīng)用，例如，發(fā)現(xiàn) Higgs 玻色子的歐洲大型強(qiáng)子加速器（LHC）的加速通道和探測(cè)器都大量采用了超導(dǎo)磁體；未來的能源明星國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）依賴超導(dǎo)磁體約束核聚變以達(dá)到可控目的；在凝聚態(tài)物理和生物物理等相關(guān)儀器上超導(dǎo)磁體的應(yīng)用更是比比皆有。但在日常生活中，超導(dǎo)體的聲名可比半導(dǎo)體小多了，這是為何？一般來說，半導(dǎo)體在室溫下就能用，但超導(dǎo)體往往需要非常低的溫度環(huán)境（低于其超導(dǎo)臨界溫度），這種低溫環(huán)境需要依賴于昂貴的液氦或者其他低溫設(shè)備來維持，這極大地增加了超導(dǎo)應(yīng)用的成本。解決這一問題關(guān)鍵在于尋找更高臨界溫度的超導(dǎo)體，特別是室溫超導(dǎo)體——這是所有超導(dǎo)研究人員的終極夢(mèng)想。
圖1 各種氣體的沸點(diǎn)
圖2 金屬汞的電阻在4.2 K突然降為零
除了尋找更高臨界溫度的超導(dǎo)材料之外，超導(dǎo)研究的物理學(xué)家同時(shí)擔(dān)任著另一項(xiàng)重要科學(xué)任務(wù)—— 從微觀層面解釋為什么電子能夠在固體材料中 “暢行無阻”。包括愛因斯坦、玻爾和費(fèi)曼等在內(nèi)的世界上許多頂級(jí)聰明的物理學(xué)家都曾試圖完成這個(gè)任務(wù)，然而他們都失敗了。在超導(dǎo)發(fā)現(xiàn)46 年之后的1957 年，常規(guī)金屬超導(dǎo)微觀理論被美國三名物理學(xué)家成功建立，這個(gè)理論以他們的名字（巴丁、庫珀、施里弗）命名為BCS理論。
BCS理論認(rèn)為，常規(guī)金屬合金中的自由電子除了人們熟知的庫侖排斥作用外，還可以間接地產(chǎn)生一種較弱的吸引相互作用。因?yàn)楣腆w材料中的原子總是在平衡位置附近不停地?zé)嵴駝?dòng)，原子核和其內(nèi)部電子構(gòu)成帶正電的原子實(shí)會(huì)對(duì) “路過” 帶負(fù)電的電子存在吸引相互作用，因此后一個(gè)路過的電子將 “感受” 到前一個(gè)路過的電子造成的 “印記”，即它們之間存在一種間接相互作用，其媒介就是周期排列的原子產(chǎn)生的熱振動(dòng)能量量子——聲子。如果兩個(gè)電子運(yùn)動(dòng)方向相反（動(dòng)量相反），那么它們各自與周圍原子實(shí)的相互作用就可以等效為它們之間存在一種弱的吸引相互作用，就像冰面上兩個(gè)舞者互相拋接球一樣，這種作用力導(dǎo)致材料中的電子兩兩配對(duì)。配對(duì)后的電子對(duì)又叫庫珀對(duì)，如果所有庫珀對(duì)在運(yùn)動(dòng)過程中保持步調(diào)一致，那么配對(duì)電子即便受到運(yùn)動(dòng)阻礙也會(huì)彼漲此消，使得整個(gè)配對(duì)的自由電子群體都可以保證能量損失為零，從而實(shí)現(xiàn)零電阻狀態(tài)。
盡管BCS理論如此美妙地用“電子配對(duì)、干活不累”的創(chuàng)意解決了常規(guī)金屬合金超導(dǎo)機(jī)理問題，但其創(chuàng)新大膽的思想?yún)s遲遲難以被人們所接受，直到多年后被實(shí)驗(yàn)所證實(shí)才于1972 年被頒發(fā)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。作為唯一獲得兩次諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的巴丁，早在1956 年因發(fā)明了半導(dǎo)體晶體管而獲獎(jiǎng)，在半導(dǎo)體和超導(dǎo)體兩大領(lǐng)域做出了巨大的科學(xué)貢獻(xiàn)。有了理論指引，更高臨界溫度的超導(dǎo)體似乎已經(jīng)可以“按圖索驥”，然而，興奮的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家只在 Nb3Ge 合金中找到了23.2 K 的超導(dǎo)，歷時(shí)60 余年的超導(dǎo)探索之路，如同烏龜踱步一樣，路漫漫其修遠(yuǎn)（見圖3）。
何處是曙光？凝聚態(tài)理論物理學(xué)家再次無情地潑了一大瓢冷水——他們基于BCS理論框架計(jì)算出，所有的金屬合金超導(dǎo)體臨界溫度存在一個(gè)40 K的理論上限，稱作麥克米蘭極限。這是因?yàn)榻饘僭訉?shí)熱振動(dòng)這個(gè)中間媒介的能量存在上限，要獲得高于40 K的超導(dǎo)電性，就會(huì)導(dǎo)致原子構(gòu)成的周期晶格最終融化。40 K， 離300 K 附近的室溫似乎遙遙不可及。但，這會(huì)是一個(gè)無法逾越的障礙嗎？
圖3 超導(dǎo)體發(fā)現(xiàn)年代及其臨界溫度，已更新到2020年10月。
幸運(yùn)的是，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家并沒有因此放棄夢(mèng)想，他們一直在努力。直到今天，新的超導(dǎo)材料正在不斷被人們所發(fā)現(xiàn)。
研究表明，絕大部分非磁性金屬單質(zhì)在足夠低的溫度下都可以超導(dǎo)，這些單質(zhì)煉成合金，臨界溫度將更高，它們統(tǒng)稱為“金屬合金超導(dǎo)體”；一些金屬化合物中電子盡管顯得“很笨重” （電子有效質(zhì)量很大），也能實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)，被歸為 “重費(fèi)米子超導(dǎo)體”；C60和堿金屬的化合物，甚至一些有機(jī)材料，也是超導(dǎo)體，被劃為“有機(jī)超導(dǎo)體”；更令人欣喜的是，許多往往被認(rèn)為導(dǎo)電性能很差的金屬氧化物（如鈦氧化物、鈮氧化物、鉍氧化物、釕氧化物、鈷氧化物等）也是超導(dǎo)體。超導(dǎo)，幾乎無處不在地存在于各種形式單質(zhì)和化合物中！既然“條條大路通超導(dǎo)”，物理學(xué)家開始了更大膽的探索，他們?cè)谕ǔＵJ(rèn)為是絕緣體的銅氧化物陶瓷材料中尋找可能的超導(dǎo)電性。
自1986 年開始，曙光終于破霧而出。位于瑞士蘇黎世的IBM公司的兩名工程師柏諾茲和繆勒在La-Ba-Cu-O體系中發(fā)現(xiàn)可能存在35 K的超導(dǎo)電性。盡管臨界溫度尚未突破40 K，但是35 K已經(jīng)是當(dāng)時(shí)所有超導(dǎo)體臨界溫度的新紀(jì)錄，為此柏諾茲和繆勒獲得了1987 年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。一場(chǎng)攀登超導(dǎo)巔峰之戰(zhàn)由此拉開帷幕，其中不乏中國人和華人科學(xué)家的身影。
1987年2 月，美國休斯頓大學(xué)的朱經(jīng)武、吳茂昆研究組和中國科學(xué)院物理研究所的趙忠賢研究團(tuán)隊(duì)分別獨(dú)立發(fā)現(xiàn)，在Y-Ba-Cu-O 體系中存在90 K 以上的臨界溫度，超導(dǎo)研究首次成功突破了液氮溫區(qū)（液氮的沸點(diǎn)為77 K）。采用較為廉價(jià)的液氮將極大地降低超導(dǎo)的應(yīng)用成本，使得超導(dǎo)大規(guī)模應(yīng)用和深入科學(xué)研究成為可能，趙忠賢研究團(tuán)隊(duì)也因此獲得1989 年國家自然科學(xué)一等獎(jiǎng)。之后的十年內(nèi)，超導(dǎo)臨界溫度記錄以火箭般速度往上竄，目前世界上最高臨界溫度的超導(dǎo)體是Hg-Ba-Ca-Cu-O 體系（常壓下135 K， 高壓下164 K），由朱經(jīng)武研究小組于1994年創(chuàng)下（見圖3）。由于銅氧化物超導(dǎo)體臨界溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)突破了40 K的麥克米蘭極限，被人們統(tǒng)稱為“高溫超導(dǎo)體”（這里的高溫，實(shí)際上只是相對(duì)金屬合金超導(dǎo)體較低的臨界溫度而言）。
銅氧化物高溫超導(dǎo)家族具有多個(gè)子成員，按元素劃分有汞系、鉈系、鉍系、釔系、鑭系等；按照載流子形式可以劃分為空穴型和電子型兩大類；按照晶體結(jié)構(gòu)中含有的Cu-O面層數(shù)可以劃分為單層、雙層、三層和無限層等。隨著實(shí)驗(yàn)研究的鋪開，人們很快認(rèn)識(shí)到，銅氧化物高溫超導(dǎo)體（或稱銅基超導(dǎo)體）不能用傳統(tǒng)的BCS 超導(dǎo)微觀理論來描述。要獲得如此之高的臨界溫度，僅僅依靠原子熱振動(dòng)作為中間媒介形成配對(duì)電子是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。進(jìn)而，人們發(fā)現(xiàn)重費(fèi)米子超導(dǎo)體、有機(jī)超導(dǎo)體和某些氧化物超導(dǎo)體均不能用BCS 理論來描述，盡管電子配對(duì)的概念仍然成立，但是如何配對(duì)、配對(duì)媒介和配對(duì)方式卻千奇百怪。不能用傳統(tǒng)BCS理論描述的超導(dǎo)體又被統(tǒng)稱為“非常規(guī)超導(dǎo)體”，區(qū)別于可以用BCS 理論描述的 “常規(guī)超導(dǎo)體”，也就是說，所有的高溫超導(dǎo)體都屬于“非常規(guī)超導(dǎo)體”。
有意思的是，2001 年日本科學(xué)家在二硼化鎂（MgB2）材料中發(fā)現(xiàn)39 K的超導(dǎo)電性，后來該材料被證實(shí)為常規(guī)超導(dǎo)體，目前為止發(fā)現(xiàn)的臨界溫度最高的常規(guī)超導(dǎo)體，距離40 K的上限僅一步之遙。之所以能達(dá)到如此高的臨界溫度，是因?yàn)檫@種超導(dǎo)材料中有多種類電子都參與了超導(dǎo)電子配對(duì)，又被叫做多帶超導(dǎo)體（見圖4）。既然是常規(guī)超導(dǎo)體，40 K的麥克米蘭極限也同樣適用于二硼化鎂，十余年來，物理學(xué)家在MgB2中無論怎么摻雜或者加壓，都無法突破這個(gè)“緊箍咒”。由此可見，尋找到一種40 K以上的高溫超導(dǎo)材料是何其困難！
圖4 二硼化鎂、鐵基超導(dǎo)、銅基超導(dǎo)材料的典型結(jié)構(gòu)和費(fèi)米面
高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)在當(dāng)時(shí)沉悶的超導(dǎo)研究領(lǐng)域響起一陣春雷，人們對(duì)超導(dǎo)未來的發(fā)展?jié)M懷期待。然而現(xiàn)實(shí)總是殘酷的，似乎觸手可及的室溫超導(dǎo)之夢(mèng)停滯在164 K這個(gè)世界紀(jì)錄上，再也難以往上挪動(dòng)半步。人們?cè)噲D在液氮溫區(qū)大規(guī)模推廣高溫超導(dǎo)強(qiáng)電應(yīng)用技術(shù)時(shí)，發(fā)現(xiàn)它實(shí)際上“中看不中用”。本質(zhì)為陶瓷材料的銅氧化物在力學(xué)性能上顯得脆弱不堪、缺乏柔韌性和延展性，在物理上其臨界電流密度太小，容易在承載大電流時(shí)失去超導(dǎo)電性而迅速發(fā)熱?？茖W(xué)家們經(jīng)過20 余年的工藝努力，銅氧化物超導(dǎo)線圈雖然已開始步入市場(chǎng)，但絕大部分超導(dǎo)強(qiáng)電應(yīng)用還停留在常規(guī)金屬合金超導(dǎo)體上。
不過，塞翁失馬焉知非福，銅基超導(dǎo)的弱電應(yīng)用近些年來發(fā)展迅速，已經(jīng)成為超導(dǎo)應(yīng)用的一大分支。利用銅基超導(dǎo)材料制備成的超導(dǎo)量子干涉儀是目前世界上最靈敏的磁探測(cè)技術(shù)，也是超導(dǎo)量子比特的基本單元，未來世界可能出現(xiàn)以超導(dǎo)比特為單元的量子計(jì)算機(jī)——一種基于量子力學(xué)原理的高速計(jì)算機(jī)。而用銅氧化物超導(dǎo)薄膜制備的超導(dǎo)微波器件正在走向商業(yè)化和市場(chǎng)化，您正在使用的3G或4G手機(jī)，其通訊基站就很可能用到了具有高信噪比的超導(dǎo)濾波器，這些高性能微波器件在軍事設(shè)備、衛(wèi)星通訊、航空航天等領(lǐng)域同樣大有用武之地。由于銅基超導(dǎo)體在非常規(guī)超導(dǎo)體中最為特殊，因此也具有非常重要的基礎(chǔ)研究價(jià)值，高溫超導(dǎo)電性的微觀機(jī)理，成為凝聚態(tài)物理學(xué)皇冠上的明珠之一。
挑戰(zhàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)比想象中的困難，人們發(fā)現(xiàn)高溫超導(dǎo)體里很多新奇物理現(xiàn)象可能超出了目前物理學(xué)理論體系所能理解的范疇，其中最為麻煩的就是，這類材料中電子之間存在很強(qiáng)的相互關(guān)聯(lián)效應(yīng)，成為強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系。經(jīng)過近30 年的奮斗，人們對(duì)銅基超導(dǎo)體取得共識(shí)的研究結(jié)論寥寥無幾，更多的是充滿爭(zhēng)議和困惑。用理論來指導(dǎo)尋找更高臨界溫度的超導(dǎo)體，近乎癡人說夢(mèng)，而實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家只能憑經(jīng)驗(yàn)和感覺來大海撈針。
2008 年3 月1 日-5 日，活躍在超導(dǎo)研究最前沿的一群中國科學(xué)家齊聚在中國科學(xué)院物理研究所，參加 “高溫超導(dǎo)機(jī)制研究態(tài)勢(shì)評(píng)估研討會(huì)”，探討迷惘的高溫超導(dǎo)研究未來之路，試圖甄別銅基高溫超導(dǎo)研究的突破點(diǎn)。此時(shí)，中國科學(xué)院物理研究所的超導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室和極端條件實(shí)驗(yàn)室與遠(yuǎn)在合肥的中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)已悄然走在了超導(dǎo)研究變革的前沿。
2008 年2 月23日，日本西野秀雄研究小組報(bào)道了在氟摻雜的 LaFeAsO 體系中存在26 K的超導(dǎo)電性。中國科學(xué)家在得知消息的第一時(shí)間里合成了該類材料，并開展了物性研究，其中中國科學(xué)院物理研究所和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的研究人員采用稀土替代方法獲得了一系列高質(zhì)量的樣品，驚喜地發(fā)現(xiàn)其臨界溫度突破了40 K，優(yōu)化合成方式之后可以獲得55 K 的高臨界溫度。新一代高溫超導(dǎo)家族——鐵基高溫超導(dǎo)體就此誕生。
這一次從新超導(dǎo)體發(fā)現(xiàn)到臨界溫度突破麥克米蘭極限僅僅用了不到三個(gè)月的時(shí)間，新的超導(dǎo)記錄幾乎以天為單位在不斷更新。在隨后幾年里，新的鐵砷化物和鐵硒化物等鐵基超導(dǎo)體系不斷被發(fā)現(xiàn)，典型母體如 LaFeAsO、BaFe2As2、LiFeAs、FeSe 等，這些材料幾乎在所有的原子位置都可以通過不同的摻雜而獲得超導(dǎo)電性，其中大量鐵基超導(dǎo)體系由中國科學(xué)家所發(fā)現(xiàn)（見圖5 和圖6）。
根據(jù)鐵基超導(dǎo)材料基本組合規(guī)則（堿金屬或堿土金屬+稀土金屬+過渡金屬+磷族元素+氧族元素），粗略估計(jì)其家族成員數(shù)目有3000多種，現(xiàn)今發(fā)現(xiàn)的體系不過是其中九牛一毛，真可謂是至今為止最龐大超導(dǎo)家族。鐵基高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)無疑為當(dāng)時(shí)幾近低迷的高溫超導(dǎo)研究注入了一股前所未有的 “強(qiáng)心劑”，已逾百年的超導(dǎo)研究從此煥發(fā)了新一輪的青春活力。
作為繼銅基超導(dǎo)體之后的第二大高溫超導(dǎo)家族，鐵基超導(dǎo)體具有更加豐富的物理性質(zhì)和更有潛力的應(yīng)用價(jià)值。它和銅基超導(dǎo)體存在 “形似而神不似”關(guān)系，晶體結(jié)構(gòu)、磁性結(jié)構(gòu)和電子態(tài)相圖均非常類似（見圖7）；但是它從電子結(jié)構(gòu)角度又屬于類似二硼化鎂那樣的多帶超導(dǎo)體（見圖4）；其母體更具有金屬性，和具有絕緣性的銅氧化物母體截然不同（銅氧化物僅在摻雜后才出現(xiàn)金屬性）；目前已經(jīng)確認(rèn)電子配對(duì)概念仍然適用，在配對(duì)媒介上可能和銅基超導(dǎo)體類似，但配對(duì)方式卻更接近于傳統(tǒng)金屬超導(dǎo)體。
總體來說，鐵基超導(dǎo)體更像是介于銅基超導(dǎo)體和傳統(tǒng)金屬超導(dǎo)體之間的一個(gè)橋梁，使得人們有可能從已知的常規(guī)超導(dǎo)機(jī)理 “摸著橋梁過河” 到原本模糊不堪的銅基高溫超導(dǎo)機(jī)理（見圖4）。通過多年來在銅基超導(dǎo)研究中的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)積累，在鐵基超導(dǎo)發(fā)現(xiàn)之后，有關(guān)超導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和理論基礎(chǔ)研究進(jìn)度相比銅基超導(dǎo)當(dāng)年已是大大加速，目前6 年來的研究成果幾乎可以和銅基超導(dǎo)近30 年以來的研究成果相匹敵，在某些方面甚至超越了之前高溫超導(dǎo)研究的認(rèn)識(shí)，高溫超導(dǎo)微觀機(jī)理的研究遇到了前所未有的良好契機(jī)。
在應(yīng)用方面，鐵基超導(dǎo)體由于其金屬性，更加容易被加工成線材和帶材，而其可承載的上臨界磁場(chǎng)/ 臨界電流和銅基超導(dǎo)體相當(dāng)，甚至有可能更優(yōu)越。當(dāng)然，制備鐵基超導(dǎo)材料大部分情況下需要砷化物和堿金屬或堿土金屬，具有較強(qiáng)的毒性同時(shí)又對(duì)空氣異常敏感，這對(duì)材料制備工藝和使用安全方面提出了更高的要求。
在超導(dǎo)的弱電應(yīng)用方面，鐵基超導(dǎo)還處在剛剛起步階段，相對(duì)已經(jīng)趨于成熟的銅基超導(dǎo)弱電應(yīng)用還有很大差距。從材料角度來說，鐵基超導(dǎo)體更具有靈活多變性，這讓高溫超導(dǎo)的研究空間大大得到了拓展，許多實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象也可以在不同體系中進(jìn)行比照研究，從而得出更加普適的結(jié)論。如前所述，幾乎在鐵基母體材料中的任何一個(gè)原子位置進(jìn)行不同價(jià)位甚至同價(jià)位的元素?fù)诫s都可以實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)電性，不同體系材料的超導(dǎo)電性隨外界壓力演變也有所不同。
更有趣的是，日本科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)，用各種酒泡過的母體材料也可以超導(dǎo)， 真是“醉翁之意不在酒，在乎超導(dǎo)之間也！”鐵基超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)極大地鼓舞了超導(dǎo)材料探索者的信心，正如發(fā)現(xiàn)二硼化鎂的日本科學(xué)家豪言：“我相信世界上所有材料都有可能成為超導(dǎo)體，只要達(dá)到足夠多載流子或足夠強(qiáng)的壓力或足夠低的溫度等外界條件，就有希望實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)！”（例如，按照BCS理論推斷，如果金、銀、銅等單質(zhì)超導(dǎo)，其臨界溫度已非常接近絕對(duì)零度。）
在含鐵的化合物中尋找到高溫超導(dǎo)電性本身就是一件突破常規(guī)的事情，因?yàn)橥ǔＵJ(rèn)為鐵離子帶有磁性，會(huì)極大地破壞超導(dǎo)。出乎意料的是，在鐵砷化物母體中摻雜磁性離子（如鈷和鎳）反而會(huì)誘發(fā)超導(dǎo)電性，鐵基超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)證明，磁性和超導(dǎo)其實(shí)完全可以 “和平共處”，新超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)往往就在打破常規(guī)之處。
在2001 年科學(xué)家發(fā)現(xiàn)無磁性的單質(zhì)鐵在高壓下也會(huì)出現(xiàn)超導(dǎo)電性。令人驚訝的是，2008 年之前發(fā)現(xiàn)的含鐵的合金或化合物超導(dǎo)材料有10 余種之多，從這個(gè)角度來說，鐵基超導(dǎo)一點(diǎn)都不稀奇！
不過，新超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)確實(shí)需要機(jī)遇、運(yùn)氣和長期經(jīng)驗(yàn)積累，日本的西野秀雄原先并不是研究超導(dǎo)的，他的研究組一直致力于尋找透明導(dǎo)電氧化物材料，早在2000 年左右就開始尋找 LaCuSO、LaMnPO 等類似結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電材料，并于2006 年意外發(fā)現(xiàn) LaFePO 材料中存在3 K左右的超導(dǎo)電性，之后意識(shí)到 LaFeAsO 化合物中同樣可能存在超導(dǎo)電性，通過摻雜氟，他們才獲得了26 K 的新超導(dǎo)體。
關(guān)于鐵基超導(dǎo)還有幾個(gè)有趣的史實(shí)。德國科學(xué)家 W. Jeitschko 的研究組從1977 年到1995 年一直在研究與 LaFePO 具有類似結(jié)構(gòu)的化合物，他們陸續(xù)合成了鐵磷化物、鈷磷化物和釕磷化物等。到了2000 年，具有同樣晶體結(jié)構(gòu)的稀土—鐵砷化物也被成功制備，遺憾的是，他們沒有進(jìn)一步用氟替代摻雜，與新超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)只能擦肩而過。更令人感慨的是， 在后來發(fā)現(xiàn)具有 BaFe2As2 類似結(jié)構(gòu)的鐵基超導(dǎo)體（如 EuFe2As2、KFe2As2、RbFe2As2、CsFe2As2、BaNi2As2、SrNi2P2 等）早在上世紀(jì)70-90 年代就有相關(guān)報(bào)道，只是因?yàn)樗鼈兣R界溫度太低，一直不被人們所注意或者想當(dāng)然地認(rèn)為它們也屬于常規(guī)超導(dǎo)體。
相比之下，西野秀雄等人準(zhǔn)確地把握住了機(jī)會(huì)，一舉發(fā)現(xiàn)了鐵基超導(dǎo)體，并在他們發(fā)表的頭兩篇論文中均引用了德國科學(xué)家的成果。中國科學(xué)家們敏銳地注意到了這幾篇重要的引文，并在第一時(shí)間利用稀土替代效應(yīng)和高壓迅速合成材料方法成功突破了麥克米蘭極限，讓鐵基超導(dǎo)成為第二大高溫超導(dǎo)家族，從而在極短的時(shí)間內(nèi)吸引了全世界凝聚態(tài)物理學(xué)家的目光
令人值得贊賞的是，中國科學(xué)家在鐵基超導(dǎo)研究洪流中，不僅僅局限于新超導(dǎo)材料的發(fā)現(xiàn)和臨界溫度的提升，這個(gè)研究群體從材料、實(shí)驗(yàn)、理論和應(yīng)用等四大方面都取得了世界矚目的前沿成果。
在已發(fā)現(xiàn)的十余種鐵基超導(dǎo)體系中，中國科學(xué)家獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了4 種，在鐵基超導(dǎo)發(fā)現(xiàn)后的短短三個(gè)月內(nèi)就確立了塊材臨界溫度的最高紀(jì)錄55 K，通過高壓條件在同一材料中發(fā)現(xiàn)了新的高溫超導(dǎo)相；在優(yōu)先獲得高質(zhì)量樣品的基礎(chǔ)上，率先對(duì)鐵基超導(dǎo)材料的電磁熱輸運(yùn)特征、內(nèi)部電子結(jié)構(gòu)、超導(dǎo)能隙分布、電荷動(dòng)力學(xué)、磁通渦旋態(tài)、磁結(jié)構(gòu)和自旋動(dòng)力學(xué)等關(guān)鍵物理特性開展了深入研究，取得了一系列深受國際同行贊賞的重要成果；在理論上成功預(yù)言了鐵基超導(dǎo)的多種物理特性并提出可能的高溫超導(dǎo)微觀模型；在應(yīng)用方面，成功利用鐵基材料獲得了很高的臨界電流密度和高質(zhì)量的超導(dǎo)薄膜（見圖8）。
不僅如此，中國科學(xué)家還和國際同行開展了廣泛合作研究，從近些年超導(dǎo)相關(guān)的國際會(huì)議就可以看出，中國和華人科學(xué)家已經(jīng)成為鐵基超導(dǎo)研究的主力軍。近幾年來，國際上一些著名研究組由于種種原因漸漸淡出鐵基超導(dǎo)研究領(lǐng)域，但中國科學(xué)家們一直在不懈努力推進(jìn)鐵基超導(dǎo)的相關(guān)研究，并取得了許多令人鼓舞的進(jìn)展。2010-2012 年，一大類新的鐵基超導(dǎo)體系 A1-yFe2-xSe2（A為堿金屬等）被中國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，其奇異的物理特性對(duì)現(xiàn)有的鐵基超導(dǎo)理論模型提出了挑戰(zhàn)。
2011—2013 年，中國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)一類具有和鐵基材料相同結(jié)構(gòu)的Li（Zn,Mn）As、（Ba,K）（Zn,Mn）2As2 等稀磁半導(dǎo)體。2012—2014 年，中國科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)，高溫超導(dǎo)其實(shí)并不需要太復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，只需在特殊基片上生長薄薄一層 FeSe 原子層就可以實(shí)現(xiàn)60 K 以上的高溫超導(dǎo)，這說明另一種模式—— 界面超導(dǎo)也可能實(shí)現(xiàn)高溫超導(dǎo)電性，而且這種高溫超導(dǎo)電性既可以類比于常規(guī)超導(dǎo)體界面超導(dǎo)效應(yīng)，又可以類比于銅基超導(dǎo)的若干物理特性。
隨著越來越多的鐵基超導(dǎo)重要研究成果來自中國，中國科學(xué)家已經(jīng)走在了引領(lǐng)國際超導(dǎo)研究潮流的先鋒隊(duì)伍當(dāng)中，我們完全有理由相信，未來的高溫超導(dǎo)研究中，一定會(huì)有更多的驚喜來自中國。正如美國《科學(xué)》雜志報(bào)道的一樣，“中國如洪流般不斷涌現(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?！?2008 年鐵基超導(dǎo)被多家媒體評(píng)為世界十大科學(xué)進(jìn)展之一，中國鐵基超導(dǎo)研究團(tuán)隊(duì)獲得了2009 年度 “求是杰出科學(xué)成就集體獎(jiǎng)” 和2013 年度國家自然科學(xué)一等獎(jiǎng)，這些獎(jiǎng)項(xiàng)的獲得極大地鼓舞了鐵基超導(dǎo)相關(guān)科研人員的信心。
從1911 年發(fā)現(xiàn)常規(guī)金屬超導(dǎo)體，到1957年BCS超導(dǎo)微觀理論建立，常規(guī)超導(dǎo)機(jī)理的解決之路走了漫長的46年。如今，距離1986 年高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)已近30 年，隨著2008 年鐵基超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)，高溫超導(dǎo)機(jī)理研究開始步入加速前進(jìn)的狀態(tài)，人們普遍相信距離建立高溫超導(dǎo)微觀理論的目標(biāo)已不遠(yuǎn)。
在新超導(dǎo)材料探索方面，幾乎每一年度都會(huì)有多個(gè)新超導(dǎo)材料被發(fā)現(xiàn)，盡管絕大部分臨界溫度都低于40 K，但其中展現(xiàn)出的新奇物性值得人們細(xì)細(xì)研究， 諸如鐵基超導(dǎo)這樣 “意料之外、情理之外” 的驚喜也可能將會(huì)再次誕生。誰也無法否認(rèn)，在不久的將來，室溫超導(dǎo)這個(gè)終極夢(mèng)想也許會(huì)被實(shí)現(xiàn)甚至得到廣泛應(yīng)用。到那時(shí)，我們生活的世界將出現(xiàn)翻天覆地的變化，其中來自中國科學(xué)家們的貢獻(xiàn)將永遠(yuǎn)值得我們銘記。
