鐵基超導(dǎo)——凝聚態(tài)物理天空中閃耀的新星
在2014年初國家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)上，多年空缺的國家自然科學(xué)一等獎(jiǎng)被鐵基超導(dǎo)研究團(tuán)隊(duì)獲得。隨著新聞報(bào)道的鋪開，“鐵基高溫超導(dǎo)”一詞再次被人們所關(guān)注。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)步入第六個(gè)年頭，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?
這還得從神秘又奇特的超導(dǎo)體說起。1911年4月8日，荷蘭萊頓實(shí)驗(yàn)室的昂尼斯等人利用他們剛剛液化的最后一種氣體——液氦研究金屬在低溫下的電阻，當(dāng)他們把金屬汞降溫到4.2 K(熱力學(xué)溫標(biāo)中0 K對應(yīng)著零下273.2攝氏度，4.2 K即相當(dāng)于零下269攝氏度)時(shí)，發(fā)現(xiàn)其電阻值突然降到儀器測量范圍的最小值之外，即可認(rèn)為電阻降為零。昂尼斯把這種物理現(xiàn)象叫做超導(dǎo)，寓意超級導(dǎo)電，他本人因此獲得了1913年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。繼第一個(gè)超導(dǎo)體金屬汞被發(fā)現(xiàn)之后，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。1933年，德國物理學(xué)家邁斯納指出，超導(dǎo)體區(qū)別于理想金屬導(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)，就如同練就了“金鐘罩、鐵布衫”一樣，外界磁場根本進(jìn)不去，材料內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度為零。同時(shí)具有零電阻和抗磁性是判斷超導(dǎo)體的雙重標(biāo)準(zhǔn)，單憑這兩大高超本領(lǐng)，超導(dǎo)就具有一系列強(qiáng)電應(yīng)用前景。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，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�？墒�，如此神通廣大的超導(dǎo)體，在人們?nèi)粘Ｉ钪袇s遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如半導(dǎo)體那么聲名遠(yuǎn)播呢?這是因?yàn)榘雽?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)境一般依賴于昂貴的液氦來維持，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)研究人員的終極夢想。
在探索新超導(dǎo)體征途中，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)的世界上許多頂級聰明的物理學(xué)家都曾試圖完成這個(gè)任務(wù)，絕大部分都是失敗的嘗試，在等待了漫長的46年之后的1957年，常規(guī)金屬超導(dǎo)微觀理論在美國三名物理學(xué)家手上被成功建立，這個(gè)理論以他們的名字(巴丁、庫伯、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，還存在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“路過”帶負(fù)電的電子存在吸引相互作用，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)致材料中電子兩兩配對。配對后的電子對又叫庫伯對，如果所有庫伯對在運(yùn)動(dòng)過程中保持步調(diào)一致，那么配對電子即便受到運(yùn)動(dòng)阻礙也會(huì)兩兩相消，使得整個(gè)配對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、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)。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)家只在三鈮化鍺合金中找到了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)。何處是曙光?理論物理學(xué)家再次無情地潑了一大瓢冷水——在BCS理論框架下，所有的超導(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。40 K，離300 K附近的室溫有多遠(yuǎn)，會(huì)加減法的人都知道。但，這會(huì)是一個(gè)無法逾越的障礙嗎?
