铁基超导的探究及研究进展

【摘要】随着超导现象在1911年被发现，超导经历了有传统超导到高温超导的一个过程，在2008年初，日本学者发现了临界温度可以达到26K的新型超导材料－La()1?xFxFeAs，这一突破性进展开启了科学界新一轮的高温超导研究热潮。本文将对铁基超导材料研究体系中的(“1111”体系、“122”体系、“111”体系和“11”体系)做一个阐述。最后在此基础上提出自己对超导物理的一些展望。

【关键词】铁基超导　上临界磁场　自旋密度波

随着在2008年初铁基La()1?xFxFeAs(x=0，05－0，12)化合物中有26K的超导电性的发现，科学界迎来了新一轮的高温超导研究热潮。科研人员在这一体系中展开了积极的实验和理论研究。

一、“1111”体系

在2008年2月，日本东京工业大学细野秀雄教授领导的研究小组报道了铁基材料La()17xFxFeAs超导转变温度高达26K,这一发现立刻引发了人们对这一超导体系的强烈关注。在2008年3月，我国成功地合成了氟掺杂钐氧铁砷化合物(smFeAs(()，F))一具有43K的体超导电性，这是继高温超导体铜氧化合物之后第一个打破迈克米兰极限的非铜基化合物。后来研究人员把这个体系命名为“1111”体系，“1111”体系也是研究最广最深的一个铁基超导材料体系。图1为SmFeAs(()，F)的结构示意图。

二、“122”体系

在ZrCuSiAs(1111)型结构的铁基超导体被发现后不久，ThCr2Si2型铁基超导体也被发现具有超导电性，其最高超导温度可达到38K。我国在在对ThCr2Si2型结构的Bal-xMxFe2As2(M=La和K)样品研究中发现BaFe2As2母体的电阻率在140K附近存在一个异常，P型载流子掺杂在122结构中也同样可以实现超导电性。

在122体系中，同样在电阻率反常的温度也发生了SDW转变和结构相变，并且不同于1111结构，两个相变是在同时发生的，两者属于一级相变，并且能观察到明显的热滞现象。在研究中还精确地确定了体系的磁结构，发现它与1111结构的磁结构是相同的，也同样具有条纹状反铁磁磁结构，其磁矩为0.87玻尔磁子。

三、“111”体系

“111”体系是研究人员发现的第三个铁基超导体系，与“1111”体系和“122”体系同属于铁砷超导体系，但其有更为简单的结构，其对探索高温超导体的内在机制以及进一步提高临界温度都有着重要的意义。

2008年6月底，中国科学院物理研究所的靳常青研究员领导的研究小组率先报道发现了新型铁基超导体系：Li1?xFeAs，其中Li0.6FeAs的Tconset可达18K。与“1111”体系和“122”体系相比，研究人员并没有发现这种新型铁基超导体系的自旋密度波转变。随后俄罗斯科学院Sadovskii等人对LiFeAs的电子结构进行了计算得到LiFeAs的电子结构与前面两个体系的电子结构非常相似，其电子特性也主要取决于Fe的三维轨道FeAs4二维层。

随后在7月中旬，英国牛津大学的Clarke领导的研究小组也宣布制出了LiFeAs的样品。他们研究发现，LiFeAs具有反PbO型(anti-PbO-type)铁砷层，其Li与As形成五元配位(四角锥)，其Tconset最高温度可达16K。几乎同时，美国休斯顿大学也宣布了利用高纯的Li，Fe，As高温反应合成了LiFeAs多晶样品，并对其单晶结构进行了测定，他们发现了与最先报道的LiFeAs超导特性的靳常青研究小组的有所不同。分析结果表明，LiFeAs的晶体结构属于PbFC1型，具有反PbO型铁砷层，而不是此前大家一直认为的Cu2Sb型。同时，他们发现Li离子缺陷并非具备超导电性的必要条件，LiFeAs母体在常压下就具有18K的超导转变温度。同样，他们在研究过程中也没有发现LiFeAs的自旋密度波行为。他们认为与层积铁砷超导体相比，LiFeAs可能更类似于无限层(infinite layered)铜氧化物高温超导体。

四、“11”体系

“11”体系是研究人员发现的第四个铁基超导体系，是四大铁基体系中结构最为简单的一个体系。此外，由于其所含的硫族元素毒性相对较低，因此使它成为了四大体系中毒性最低的一个体系。

“11”体系最先是在2008年7月中旬由中国台湾中央研究院物理研究所吴茂昆所领导的研究小组发现(a-FeSel?x (x=0.12或0.18)在大约8K的温度发生超导转变)的。在7月下旬日本用固相反应法制备出了FeSe多晶块体样品，经过研究他们发现了“11”体系的临界温度对于外加压力非常敏感的这一特性。随后美国等一些国家都对通过研究“11”体系所得到的发现进行了发表阐述。

五、小结

目前，铁基超导材料研究正在持续升温，新结构的铁基超导体还在不断涌现，以新型铁基超导材料研究为核心的新一轮高温超导材料研究热潮中占据了重要位置。大家都非常期待更高超导转变温度的铁基化合物被发现，探索新结构和多层结构的铁基超导体成为了当下的研究热点。但是从总体来看，铁基超导材料研究还处于起步阶段，许多问题还都有待科学家们进一步去探索与研究。