科技中国杂志

高温超导研究进展与趋势

来源:《科技中国》2018年第七期p3-6

日期:2018-07-11

  于笑潇1,资剑2,吴根1,杨涛3

  (1.科技部高技术研究发展中心;2.复旦大学;3.西北大学)

  高温超导具有深刻的物理内涵和应用前景。我国在世界多个国家对高温超导研究投入大幅减少的态势下持续支持,使得国内该领域研究人才和软硬件条件等都得到了长足发展。本报告从高温超导研究的五个方向,对其国内外研究现状与趋势进行了梳理分析,并提出了我国的进一步研究重点与对策建议。

  一、关于高温超导

  自1911年发现超导现象,人们就被其零电阻、反磁性和量子隧道效应的奇特性质所吸引。但在此后长达75年的时间里所有已发现的超导体都只在极低的温度(23K)下才显示超导,使它们的应用受到了极大的限制。

  高温超导材料是具有超过麦克米兰极限超导转变温度(Tc)的材料,具有深刻的物理内涵和广泛的应用前景。高温超导体是超导物质中的一种族类,具有一般的结构特征以及相对上适度间隔的铜氧化物平面,被称作铜氧化物超导体。此族类一些化合物中,超导性出现的临界温度是已知超导体中最高的。超导现象的大规模应用强烈依赖于高温(室温)超导材料的研究进展。

  由于高温超导的机理目前还不清楚,因此在这方面开展深入研究对于理解具有多体相互作用的复杂量子材料、发展最先进的实验技术具有重要意义。超导技术目前已经在电力、动力、医学、通信、军事、运输、粒子加速器等领域有着重要的应用,高温超导乃至未来的室温超导一旦取得突破,超导的应用难度和成本将极大降低,将对人类的文明产生难以想象的影响,其意义与半导体材料相当。

  二、世界发展现状与趋势

  1. 铜氧化物高温超导

  美国和日本是铜氧化物高温超导基础研究的传统强国。经过30年的研究,基本实验数据比较完备,多个理论并存,包括基于电声子相互作用的机理和基于自旋涨落的机理。虽然种种实验证据逐步收敛到证明基于自旋涨落的机理,但是仍然缺少判定性的实验来区分理论。

  目前的实验主要集中在更精细和定量地探测铜氧化物高温超导特性,如对其中赝能隙、电荷密度波、强场行为、准粒子自能等的测量。通过超快远红外激光驱动铜氧化物,观测到瞬时的室温超导的迹象,但还有待进一步证实。最近,我国薛其坤、封东来等研究组还指出铜氧化物高温超导能隙可能与传统的d-波超导图像偏离较大。

  该方向未来发展趋势是对铜氧化物进行更精细全面的测量。在实验上可能通过更直接的测量取得颠覆性的结果。在理论上将使其完善,能够全面解释关键的实验现象。

  2. 铁基高温超导

  日本Hosono研究组于2008年发现基于FeAs面的铁基高温超导,吸引了全世界众多科学家投入该领域,发现了多个铁基超导的家族。陈仙辉、王楠林等研究组,率先独立发现了超过麦克米兰极限(~40K)的常压下的铁基超导;赵忠贤组创造了铁基超导体材料56K的Tc记录;陈小龙、方明虎两个研究组,独立发现了AxFe2Se2类的铁基超导,封东来等发现此类超导与基于FeAs面的铁基超导有不同的电子结构和无节点的超导能隙,挑战了之前建立的铁基超导配对图像。

  经过8年多的研究,仍在发现新的铁基超导家族,对铁基超导的物性、各个有序态、电子结构和自旋微观行为等有了比较全面的认识。丁洪、周兴江组独立给出了FeAs类铁基超导的超导能隙结构;戴鹏程、鲍威等给出磁结构与自旋涨落的信息,构筑了基本的实验图像。在理论上,铁基超导、铜氧化物高温超导、重费米子超导等得到了统一的认识。基于上述研究,胡江平等已经开始设计Ni基、Co基等超导材料。但是铁基超导中的轨道序/自旋序/结构相变的相互关系,AxFe2Se2类的铁基超导的机理等仍然没有得到最终的认识。

  未来将进一步开展对铁基超导的材料、物性和机理研究,并尝试对其物性进行调控,进一步提高Tc,获得更加完备的实验图像。进一步完善理论,全面地解释关键现象。

  3. 高压下的高温BCS超导

  Ashcroft在半个世纪前预言氢在高压下会成为金属,并且是Tc高于室温的BCS(电-声子相互作用)超导,自此金属氢成为高压物理界的圣杯。

  2015年Mikhail Eremets研究组在马琰铭等理论计算的启发下,率先将H2S加到150GPa高压,获得Tc为203K的超导,这与崔田等预言的H3S相一致,是迄今最高温度的超导。

  2017年初,美国哈佛大学的Issac Silvera研究组报导在495 GPa下实现了金属氢。目前其超导特性尚未测量,结果令人期待。

  在这些实验结果的激励下,科学家们预言了众多的含氢高压超导相,预期将有更多的体系被发现。从微观机理和物性的角度对这些体系的研究非常具有挑战性。理论上它们可能是在高声子频率下的BCS超导,需要进一步的实验数据来确认。未来应该有更多这些体系的研究。

  4. 界面高温超导

  得益于近20年来薄膜生长技术的快速发展,在氧化物的界面处发现了多种新奇的物性。在两种绝缘体LAO/STO的界面发现了超导行为,在铜氧化物界面处发现了具有高温超导电性的界面超导。

  我国薛其坤团队在2012年发现单层FeSe/SrTiO3界面增强的高温超导电性,超导能隙比FeSe体材料有近一个数量级的增强。

  中科院物理所周兴江、复旦大学封东来、清华大学王亚愚、北京大学王健等研究组对该体系的电子结构、掺杂机理、输运性质等进行了系统的研究,分别证明该体系的超导转变发生在65K。封东来研究组在FeSe/BaTiO3/KTaO3异质结中实现能隙闭合温度达到了75K。

  上海交大贾金锋研究组用原位四探针测量在FeSe/SrTiO3得到超过100K的Tc,这是铁基超导目前达到的最高纪录。

  在机理研究方面,发现单层FeSe具有类似普通超导体的简单s波对称,具有很强的界面电声子相互作用,同时其Tc与电声子作用均随着远离界面而衰减,预示这种体系具有独特的界面超导增强机制。这些研究开拓了国际高温超导的新的研究方向,被誉为是过去五年国际铁基超导研究最重要的发现和“超导研究的新前沿”。

  人们在理论上曾经预言电子掺杂的Sr2IrO4与空穴掺杂的铜氧化物高温超导类似,也具有超导电性。封东来研究组和德国马普所B.J. Kim研究组,独立发现通过表面掺杂的Sr2IrO4有类超导能隙的结构,其闭合温度约为50K,电子结构演化和铜氧化物极为相似。这预示着Sr2IrO4可能是继铜基和铁基超导之后的新一类高温超导材料。

  这些研究结果对研究体材料的高温超导机理也具有重要的指导作用。未来将会继续发展原位测量技术,探索这些体系超导机理和界面增强的机理,通过界面工程进一步提升Tc,构筑新的界面高温超导。

  5. 重费米子超导等非常规超导

  重费米子超导Tc绝对值并不高(最高纪录为18K),但是相对于它较低的特征能量尺度,理论上可以被认为是高温超导。不同于铁基或铜基高温超导体,重费米子超导可通过电子自旋、轨道和价位等自由度的量子涨落产生配对,超导通常出现在量子临界点附近,亦可远离磁性量子临界点。先前人们普遍认为重费米子超导为d-波或p-波超导,最近在一些材料中发现了s-波超导的特征,可见重费米子的超导电性非常复杂。

  主要发达国家已在重费米子研究领域投入了相当多的人力和财力。英国剑桥大学的量子物质实验室长期致力于重费米子研究,发现超导出现在磁性量子临界点附近。德国马普所一直引领重费米子超导、量子相变以及热电性质等方面的研究,近期特别关注重费米子体系中的莫特物理。美国洛斯阿拉莫斯国家实验室,在CeTIn5和PuTIn5的系列研究中将重费米子超导与高温超导紧密联系在一起。罗格斯大学最近预言了拓扑近藤绝缘体的存在。东京大学最近在混价化合物b-YbAlB4中发现超导,并且远离磁性量子临界点。奥地利维也纳工业大学首次发现非中心对称重费米子超导。

  重费米子体系丰富的相图、超导、可调控物性与量子相变是人们关注的热点,目前已经积累了大量的实验数据,理论上也有很大的发展。但是重费米子超导的序参量以及决定重费米子超导的关键因素尚不明确,量子相变的微观行为也有待测量。

  未来,随着容易获得更多的强场高压等极端条件,中子散射、光电子能谱和扫瞄隧道显微谱等各种微观性质测量手段的广泛应用,重费米子超导的研究有望取得突破。

  三、我国发展现状与水平

  2000年以后,世界上多个国家对高温超导(主要是铜氧化物)的投入大幅减少,我国持续支持,使得国内超导领域的人才和软硬件都得到了长足发展。

  研究铜氧化物高温超导时,我国仅有少数研究组做出了一些亮点。研究铁基超导时,我国的实力厚积薄发,在材料、物性和机理研究中全面显现出来。《科学》杂志因此发表题为“铁基超导把中国科学家推到前沿”的社论。FeSe/SrTiO3界面高温超导电性的研究工作是完全由中国科学家引领的一个重要研究方向。

  我国科学家已经开始预言新的超导体系。吉林大学崔田研究组正确预言了高压H2S超导实为H3S,计算出其结构和Tc,并被实验证实。中科院物理所的雒建林研究组最近发现了MnP、CrAs在加压下超导,是第一个基于Mn、Cr的非常规超导。

  近年来,随着实验条件和方法的不断改善以及一批优秀人才相继回国,起步较晚的重费米子超导研究方向,我国也迎来了发展机遇。国内已有多家科研院所开展相关研究,并做出了一些重要工作。著名重费米子材料专家Z. Fisk教授指出,国际重费米子研究的版图正在发生深刻变化,中国将成为一支重要的新生力量。目前浙江大学、中科院物理所、中国工程物理研究院和复旦大学均是国内重费米子的主要研究基地。

  我国居领先地位的机构有中科院物理所、中国科技大学、复旦大学、清华大学、南京大学、浙江大学等单位,北京大学量子材料中心也积聚了一大批优秀的青年科学家。中科院物理所、复旦大学、北京大学具有齐备的实验手段,中国科技大学、浙江大学的材料研究实力较强。

  四、进一步研究重点及措施建议

  由于高温超导理论还没有很好的建立,相关方面的研究进展相当缓慢。虽然新的具有更高超导温度的超导体时有报道,但还没有取得真正的理论突破。结合我国现有研究基础,建议进一步的研究重点如下:

  1. 界面超导研究。我国在此领域做出了引领性的工作,有望进一步在其机理研究取得突破,并提高Tc。

  2. 拓扑超导研究。这是一个新的关键领域,与Majorana费米子和量子计算密切相关。

  3. 进一步进行铁基超导、铜氧化物高温超导、重费米子超导中的判定性实验,为全面理解这些重要的非常规超导体系做出关键贡献。

  4. 继续扩大我国在新材料探索方面的优势,包括高压下的新超导探索,发现全新的超导体。特别关注过渡金属化合物、稀土化合物、含氢材料和有机材料中超导电性的研究。

  5. 利用我国新建的强磁场、同步辐射、自由电子激光、中子源等一批大科学装置进行超导研究,揭示极端条件下的物性与微观行为。

  6. 发展超导理论与强关联体系的新计算方法,解释现象和预言新的体系。

  为有效开展相关研究,建议一方面进一步加大对我国已具引领地位的方向的投入,以扩大影响;另一方面坚持长期持续支持原创研究,特别是对青年科学家的资助;同时,应加大对各研究组的先进设备,以及大科学装置公共平台的投入。

  本报告为科技创新战略研究专项项目“重点科技领域发展热点跟踪研究”(编号:ZLY2015072)研究成果之一。

  本文特约编辑:姜念云