聞海虎，南京大學超導物理和材料研究中心主任/教授，博士生導師，國家傑出青年基金獲得者，長江特聘教授，美國物理學會會士。長期從事超導材料和物理性質研究，在高溫超導體磁通動力學、高溫超導機理問題和非常規超導材料合成和物理性質研究方面獲得一批重要成果。科技部目标導向性超導973項目“高溫超導材料和物理研究”首席科學家（2010－2015），國家重點研發計劃－量子調控項目子項目負責人（2016－2020）。

新年剛剛開始，中國超導界就迎來了喜訊。中國科學院物理研究所研究員、中國科學院院士趙忠賢以其在钇鋇銅氧的發現和鐵基超導體等方面的突出貢獻獲得了國家科技成就獎。趙忠賢院士獲獎是對他幾十年來在高溫超導體研究中孜孜以求、不斷求索的認可，是實至名歸。

圖1 超導體的轉變溫度随被發現的時間的關系

鐵基超導體研究的突破發生在2008年2 月末，日本東京工業學院Hosono 研究組發現在母體材料LaFeAsO 中摻雜F元素可以實現26 K 的超導電性。鐵基超導材料的母體材料可以追溯到1974 年美國杜邦公司的Jeitschko 等在尋找新功能材料中的工作，随後一個德國的研究組合成了系列的具有同樣ZrCuSiAs結構的新材料。這些新材料被取名為四元磷氧化物LnOMPn（Ln=La, Ce, Pr,Nd, Sm, Eu 和Gd；M=Mn, Fe, Co 和Ni；Pn=P 和As）。這個體系具有四方的層狀結構，在c方向上以-(LnO)2-(MP)2-(LnO)2-形式交替堆砌，因而一個單胞中有兩個分子LnOMP。對于母體材料而言，層和層之間電荷是平衡的，比如(LnO) 1 和(MP)- 1 的電荷是平衡的。由于四元磷氧化物LnOMPn 中的一些材料在低溫下是超導體，因此這個體系構建了銅氧化物以外的另一個層狀超導體家族。Hosono 研究組還發現LaFeAsO1- xFx(x=0.05~0.12) 具有26 K的轉變溫度後，新的一輪尋找高溫超導材料的浪潮再次到來。在短短的一年中，科學家們已經發現了7 種典型結構，分别被稱為11（FeSe），111（LiFeAs,NaFeAs），122（(Ba, Sr, Ca)Fe2As2），1111（REFeAsO，RE=稀土元素），32522（Sr3Sc2O5Fe2As2），42622（Sr4V2O6Fe2As2），和43822（Ca4Mg3O8Fe2As2） 。在這次全球超導研究者對鐵基超導體的競争當中，中國科學家因為有長期的積累和思考，才能夠迅速反應，做出了一大批重要的工作，發現和合成了一些重要的超導體系，在國際學術界引起極大的反響。目前，以可重複的邁斯納效應為判據，最高的超導轉變溫度發生在REFeAsO1-xF x（RE=稀土元素）中，在55~58K。圖2 是鐵基超導體與銅氧化物超導體的電阻随溫度變化的曲線。鐵基超導體具有接近三維、高上臨界磁場和高不可逆磁場的性質，因此在未來的強磁場應用中有很大潛力。

圖2 兩種高溫超導體的電阻随溫度轉變的曲線

人們逐漸認識到，在一些新型的超導體中，如銅氧化物超導體和鐵基超導體中，其電子配對方式超出原來解釋超導圖像的基本理論（BCS 理論）的範疇，電子配對也許不再是通過電子-聲子耦合，而正常态也偏離建立該理論的基本框架，即基于朗道-費米液體理論和能帶論。在解釋這些新現象的時候，人們或多或少要考慮電子關聯效應的作用。BCS 理論在1972 年獲得了諾貝爾物理學獎，目前開展的非常規超導機理研究完全可能大大修改，甚至是完全颠覆的物理圖像。因此超導研究無論是在新材料還是機理方面都面臨重大突破。銅氧化物和鐵基高溫超導體的發現，不僅僅帶來了新的高溫超導家族，重要的是它們所反映出來的電子配對和凝聚方式不同于原來的BCS 理論所預言的方式，因此給超導傳統理論帶來挑戰。這種非電聲子作用導緻的超導機制被稱為非常規超導機理。對非常規超導機理的研究正方興未艾，很多新奇的物理現象呈現在人們面前，因此21 世紀的上半葉是高溫超導研究的黃金時間段。

綜上所述，我們可以大膽預言：1）室溫超導體也許會被發現，因為根據對強關聯電子系統超導電性的理解，室溫超導的實現沒有理論上的障礙；2）超導能夠帶來大規模的在液氮溫區，甚至是更高溫區間的應用，因為銅氧化物超導體，如钇鋇銅氧超導帶材正逐漸成熟，而具有很好應用潛力的鐵基超導體的導線制備正向千米級邁進；3）經過過去30 年對高溫超導機制的理解，已經有很多共識，高溫超導機理問題面臨全面突破，這将是1957 年BCS 理論之後，對超導理論方面的又一重大突破。（責任編輯 王麗娜）

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作者簡介：聞海虎，南京大學，南京大學物理學院，固體微結構國家重點實驗室，超導物理和材料研究中心主任/教授。

注：本文發表在2017年第4期《科技導報》，歡迎關注。

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