中日科学家高温超导研究获重大进展

2008-4-20 23:40 来源: 新华网
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继铜基超导材料之后,日本和中国科学家最近相继报告发现了一类新的高温超导材料——铁基超导材料。美国《科学》杂志网站报道说,物理学界认为这是高温超导研究领域的一个“重大进展”。
 
高温超导是指材料在某个相对较高的临界温度,电阻突降至零。1986年,科学家发现了第一种高温超导材料——镧钡铜氧化物。自那以后,铜基超导材料成为全世界物理学家的研究热点。
 
然而直至今日,对于铜基超导材料的高温超导机制,物理学界仍未形成一致看法,这也使得高温超导成为当今凝聚态物理学中最大的谜团之一。因此很多科学家都希望在铜基超导材料以外再找到新的高温超导材料,从而能够使高温超导机制更加明朗。
 
就在今年2月,日本科学家首先报告说,氟掺杂镧氧铁砷化合物在临界温度26开尔文(零下247.15摄氏度)时,即具有超导特性。3月25日,中国科技大学陈仙辉领导的科研小组又报告,氟掺杂钐氧铁砷化合物在临界温度43开尔文(零下230.15摄氏度)时也变成超导体。
 
3月28日,中国科学院物理研究所赵忠贤领导的科研小组报告,氟掺杂镨氧铁砷化合物的高温超导临界温度可达52开尔文(零下221.15摄氏度)。4月13日该科研小组又有新发现:氟掺杂钐氧铁砷化合物假如在压力环境下产生作用,其超导临界温度可进一步提升至55开尔文(零下218.15摄氏度)。此外,中科院物理所闻海虎领导的科研小组还报告,锶掺杂镧氧铁砷化合物的超导临界温度为25开尔文(零下248.15摄氏度)。
 
超导是物理世界中最奇妙的现象之一。正常情况下,电子在金属中运动时,会因为金属晶格的不完整性(如缺陷或杂质等)而发生弹跳损耗能量,即有电阻。而超导状态下,电子能毫无羁绊地前行。这是因为当低于某个特定温度时,电子即成对,这时金属要想阻碍电子运动,就需要先拆散电子对,而低于某个温度时,能量就会不足以拆散电子对,因此电子对就能流畅运动。
 
通常的低温超导材料中,电子是通过晶格各结点上的正离子振动而结合在一起的。但大多数的物理学家都认为,这一电子对结合机制并不能解释临界温度最高可达138开尔文(零下135.15摄氏度)的铜基材料超导现象。每一种铜基超导材料都是由层状的“铜-氧”面组成,其中的电子是如何成对的,仍是未解难题。
 
中日科学家新发现的这一系列铁基超导材料都具有相同的晶体结构,它们在有些方面与铜基超导材料惊人地相似。但是计算表明,这些铁基超导材料的晶格振动提供的电子对结合力量,不足以使材料超导临界温度达到如此高的水平。
 
因此,摆在物理学家面前的一个新问题是,新老两类材料的高温超导机制是否一样?诺贝尔奖获得者、美国普林斯顿大学理论物理学家菲利普·安德森说,假如不一样,那就意味着新材料的发现比预想的要重要得多,也许能从中发现全新的超导机制。闻海虎认为,新的铁基超导材料有可能会为探究高温超导机制提供一个更清晰的体系,在此基础上,铜基超导材料的高温超导机制“可能会一下子变清晰”。
 
但是,也有科学家持有异议。美国斯坦福大学科学家史蒂夫·基沃尔森就认为,两类材料都是成面结构,都是从导电性能很差的材料转化而来,而且都表现出一种名为“反铁磁性”的磁特性。他说:“两者具有足够的相似性,因此可以假设,它们是本质相同的高温超导材料。”
 
不过,科学家们都认同一点,那就是新的铁基超导材料将激发物理学界新一轮的高温超导研究热。而下一步,科学家们将着眼于合成由单晶体构成的高品质铁基高温超导材料。