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中国铁基超导站世界最前沿 打破国际理论极限


赵忠贤研究团队(科学报图片)

国家自然科学一等奖“40K以上铁基高温超导体的发现及研究”——

铁基超导的中国突破

连续3年空缺的国家自然科学一等奖,今年有了归属。以赵忠贤、陈仙辉、王楠林、闻海虎、方忠为代表的中国科学院物理研究所/北京凝聚态国家实验室(筹)(以下简称“物理所”)和中国科学技术大学(以下简称“中科大”)研究团队因为在“40K以上铁基高温超导体的发现及若干基本物理性质研究”方面的贡献摘得这一殊荣。

铁基高温超导体的发现,突破了传统理论的限制,将我国在该领域的研究推向世界最前沿,也有望激活超导体潜在的应用前景。

超导,全称超导电性,是指某些材料在温度降低到某一临界温度,或超导转变温度以下时,电阻突然消失的现象。具备这种特性的材料称为超导体。

中科院院士、项目完成人之一的赵忠贤介绍说,超导体的两个基本性质是零电阻和抗磁性,这些不寻常的特性使其在科学研究、信息通讯、能源存储、交通运输、生物医学等领域均有重大的应用前景。

超导研究在科学上的重要性,吸引了无数科学家的目光,在超导研究百年历史上,10人获得了5次诺贝尔奖。“当前,摆在科学家面前的一个难题是,找到更高临界温度、更适于应用的超导体。”赵忠贤说。

1968年,物理学家麦克米兰根据传统理论计算推断,超导体的转变温度一般不能超过40K(约零下233摄氏度),这个温度也被称为麦克米兰极限温度。

人类对超导的应用是否确实只能被限制在40K以下?40K的极限温度能否被突破?为了探索这个问题,科学家们做了无数次尝试。1986年,两名欧洲科学家发现以铜为关键超导元素的铜氧化物超导体,很快包括中国科学家在内的研究团队将铜氧化物超导体的临界转变温度提高到液氮温区以上,突破了麦克米兰极限温度,使其成为高温超导体。

中科大教授、项目完成人之一的陈仙辉表示,铜氧化物高温超导体家族有两个主要缺陷,作为金属陶瓷材料加工工艺严苛,综合成本高,影响广泛应用。此外,铜基超导并没有解决高温超导电性机理丰富的物理内涵。

要揭开高温超导的原理,广泛应用,寻找到临界温度更高的超导体势在必行。

2008年2月下旬,日本化学家细野在四方层状的铁砷化合物中发现存在转变温度为26K的超导电性,但因为没有突破麦克米兰极限温度,还不能确定是铁基为高温超导体。

机遇给有准备的头脑。基于长期的研究经验,赵忠贤敏锐意识到,类似结构的铁砷化合物中很可能存在系列高温超导体。

此后,赵忠贤小组等研究团队,在该领域全力探索。2008年3月,中科大陈仙辉研究组和物理所王楠林研究组同时在铁基中观测到了43K和41K的超导转变温度,突破了麦克米兰极限,证明了铁基超导体是高温超导体;不久后,赵忠贤研究组利用高压合成技术高效地制备了一大批不同元素构成的铁基超导材料,转变温度很多达到50K以上的,并创造了55K的铁基超导体转变温度纪录。经国际物理学界公认,铁基超导正式成为新一类高温超导体。

再接再厉,我国科学家还对铁基超导体若干基本物理性质进行了深入研究,确认了它的非常规性。铁基高温超导研究震撼科学界,《科学》杂志专题评述指出:中国如洪流般涌现的研究结果标志着,在凝聚态物理领域,中国已经成为一个强国。

2013年2月,中国科学院国家科学图书馆统计显示,世界范围内铁基超导研究领域被引用数排名前20的论文中,9篇来自中国,其中7篇来自该研究团队。

“如果没有多年的积累,我们不一定能抓住铁基超导的机遇。”赵忠贤说,在5名获奖科学家背后,有着一支庞大、默默奉献的研究团队,他们都曾在我国铁基超导体的研究中做出过贡献。

他说,超导要实现规模化的商业应用,还需改进现有实用超导材料的制备工艺,提高制冷系统的性能,提高可靠性,降低成本,这些方面还有很多工作值得研究。

“令人欣慰的是,超导研究已经在中国扎了根,如果有一天超导又有新的突破,我相信一定有我们中国人。”赵忠贤说。


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