文档介绍：超导“小时代”之三十三:铜铁邻家亲作者:罗会仟(中国科学院物理研究所)岂不闻远亲呵不似我近邻,我怎敢做的个有口偏无信。——元·秦简夫《东堂老》超导的研究历程,特别是超导材料的探索之路,总是充满坎坷和惊喜。1986年,铜氧化物高温超导的发现,距离1911年发现的第一个超导体——金属***已经整整75年,此前大家为麦克米兰极限的存在而充满悲观。2008年,铁基超导的出现,是铜氧化物高温超导研究步入的第22个年头。此刻,高温超导的研究已陷入一片迷惘和不知所措,BCS理论在铜氧化物、重费米子、有机超导等非常规超导材料中失效,且高温超导伴随的物理现象又极其复杂多变难以理解,加上天生的易脆和高度各向异性等多种应用短板。正在物理学家为要不要放弃高温超导研究而重度纠结的时候,铁基超导的出现,恰到好时机地点亮了前所未有的新希望之光。作为新一代高温超导家族,铁基超导材料为高温超导的研究开辟了许多新通路,铜氧化物材料研究积累的大量困惑将可以在这个“高温二代”中加以检验、澄清甚至是完全解答。高温超导机理,乃至非常规超导机理,有望在铁基超导研究中最终取得突破。虽然铁基超导的发现要比铜氧化物超导材料晚了不少年,但是,铁基超导却恰如其分地,如同在超导机理已知的BCS常规金属合金超导体,和超导机理充满争议的铜氧化物超导体之间,建立了一座坚实的铁基钢架桥,让高温超导机理研究变得“有路可循”(图1)。整体来说,一方面是因为铁基超导的临界温度(常压和高压下块体最高均可达55K)居于常规超导(最高40K)和铜基高温超导(常压下最高134K,高压下最高165K)之间,另一方面是因为铁基超导材料的结构和物性既像常规金属超导体也像铜氧化物超导体。例如,铁基超导材料母体天生就是金属导体,结构上多为正交相,结构单元以铁***或铁硒面为主,可以通过掺杂来实现超导等。图1铁基超导是连接BCS常规超导和铜基高温超导的桥梁在这一节,我们将着重对比铁基和铜基两大高温超导家族的异同,部分内容在前面已经出现,此节将较简略地加以介绍。结构与费米面。对于大部分金属合金超导体来说,其结构普遍为立方结构(体心或面心立方),电子浓度相对比较高。在铜氧化物中,晶体结构往往是非常典型的准二维层状结构,即Cu-O平面和其他氧化物层的堆叠构成,前者通常称为“导电层”,后者则称为“载流子库层”。顾名思义,就是Cu-O面负责超导电子传输导电,而其夹心部分则负责提供尽可能多的载流子。铁基超导体同样是层状结构,以Fe-As或Fe-Se层(以下简称Fe-As层)为基本单元,导电层也主要发生在这个面。区别在于,Cu-O面往往是比较平整的(YBa2Cu3O7-x除外),但是Fe-As层同时考虑Fe和As的话则是起伏不平的。铜氧化物的载流子可以来自载流子库,也可以来自Cu-O面的氧空位;铁基超导体中引入载流子同样可以在Fe-As面内和面外实现。因为As原子的存在,Fe-As-Fe这类间接相互作用也就显得重要起来。研究发现,As-Fe-As的键角对Tc的影响非常大,似乎只有在FeAs4为完美正四面体时才具备最高的Tc。对应地,铜氧化物中则是Cu-O面的层数越多,Tc越高(仅在三层以内适用)。虽然Cu和Fe同属于3d过渡金属,但是铜基和铁基超导体的费米面则从单带变成了多带。铁基超导体的多重费米面,意味着多电子轨道和多能带的参与对超导或许是有利的。从这个意义上