1月29日，《自然》杂志发表浙江大学物理系教授袁辉球及其合作者的最新研究成果： 在具有二维层状晶体结构的铁基超导体中发现超导态的“各向同性”，这是首次在二维层状的超导材料中报道类似的三维超导特性。《自然》杂志评审专家一致认为，这是超导研究领域一项非常独特而重要的发现，将对研究铁基高温超导形成机理具有重要意义。
    
    该工作由浙江大学、美国洛斯阿拉莫斯国家实验室以及中国科学院物理所共同完成，浙江大学是第一完成单位。
    
    百年超导梦
    
    据悉，人类首次发现超导现象是在1911年，荷兰物理学家海克·卡曼林·昂尼斯发现，把汞冷却到4.2开尔文时（约零下269摄氏度），电阻突然消失。这种神奇的物理现象激发了人类的美好愿望——研制出室温超导体，实现能量传输无损耗，这无疑将导致一场新的能源革命。这个梦想已支持科学家探索了将近一个世纪。新的超导材料相继被发现，一波接一波冲击更高的超导临界转变温度，每次发现都推动科学家投身相关的研究热潮。人们熟知的磁悬浮列车和核磁共振成像技术就是超导技术的实际应用。
    
    对此，袁辉球表示，在超导研究领域，一直存在着“理论”追赶“实验”的现象。即科学家往往在一个较为偶然的情况下发现一类新型超导材料，再对这种材料的超导机理进行研究，以期研制出临界转变温度更高的超导体。
    
    据袁辉球介绍，1986年，瑞士科学家卡尔·亚历克斯·米勒和他的德国合作者约翰尼斯·格奥尔·贝德诺尔茨发现了一类铜氧化合物超导材料，其超导转变温度随后迅速被其他科学家提高到约160开尔文，是首类处于液氮温区的高温超导材料。铜氧化合物高温超导体的发现立即激起了全世界范围内的超导研究热潮。
    
    然而，20余年过去了，超导转变温度一直停滞不前，高温超导形成机理仍不清楚，是目前国际上公认的一大物理挑战。科学家寄希望于寻找铜氧化合物超导材料以外的新型高温超导材料，从而进一步探索高温超导的形成机理以及怎样实现室温超导材料。
    
    而在2008年年初，日本科学家宣布发现了一种基于铁砷层面的新型超导材料LaFeAsO1-xFx，其超导转变温度高达26开尔文。中国科学家随后通过元素替换，迅速将超导转变温度提高到50开尔文以上，突破了“麦克米兰”极限(麦克米兰曾经断定，传统超导临界温度最高只能达到39开尔文)。这些新型超导材料的发现，正把科学家带入新一轮以铁基超导为焦点的研究热潮。
    
    与铜氧化合物高温超导体类似，铁基超导材料具有较高的超导转变温度和二维层状的晶体结构。因而，对物理学家来讲，弄清楚这两类高温超导材料是否具有类似的超导形成机理将是一个很重要的物理问题。诺贝尔奖获得者、美国普林斯顿大学理论物理学家菲利普·安德森曾预言：“假如不一样，那就意味着新材料的发现比预想的还要重要得多，也许能从中发现全新的超导机制。”因此，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新的物理图像。
    
    今朝获突破
    
    作为长期致力于超导和极端条件物性研究的浙大长江特聘教授，袁辉球在铁基超导材料发现后不久，就开始关注这类新型超导材料的奇特物性。利用他先前建立起来的国际合作关系，袁辉球作为美国洛斯阿拉莫斯国家强磁场实验室的用户，成功申请到了该实验室脉冲磁铁的使用时间，于2008年4月开始深入研究铁基超导材料在脉冲强磁场下的物理行为。同时，袁辉球同国内多个样品制备小组开展了紧密合作，与本研究相关的超导材料由中科院物理所王楠林小组提供。
    
    临界磁场是表征超导态的一个重要物理参量。当外加磁场所产生的激发能高于超导的凝聚能时，材料将由超导态变为正常态，这个磁场强度称为临界磁场。然而，包括铁基超导体在内的大部分超导合金（第二类超导体）具有两个不同的临界磁场：当磁场低于下临界磁场时，超导态具有完全抗磁性；当磁场高于下临界磁场但小于上临界磁场时，超导态与正常态共存；而当磁场大于上临界磁场时，超导态被完全破坏。此前的研究显示，对于铜氧化合物高温超导体和有机超导体等二维层状材料而言，其超导态对磁场的响应是“各向异性”，即纵向和横向的上临界磁场相差数倍。超导态的这种各向异性的行为是由其准二维的电子结构所决定的，超导电流主要局限于二维平面内。由于铁基超导体和铜氧化合物高温超导体都具有二维层状的晶体结构，学界普遍认为，铁基超导的上临界磁场也具有“各向异性”的特征，并获得最初的一些低磁场实验结果的支持。另外，考虑到铜氧化合物高温超导体的二维晶体结构，维度的降低曾被普遍认为是形成高温超导的必备条件。
    
    袁辉球经过数月夜以继日的研究后发现，之前的推测只是“以偏概全”的结论。通过采用脉冲强磁场等极端实验条件，他们极大地延伸了铁基超导材料的温度——磁场相图的研究范围，并发现了令人惊异的现象：铁基超导材料(Ba,K)Fe2As2在低温的上临界磁场几乎与外加磁场的方向无关，具有三维“各项同性”的特征。此外，该超导材料的上临界磁场还表现出很独特的温度依赖关系。这是首次在二维层状的超导体中发现类似的超导态特征，表明铁基超导具有与铜氧化合物高温超导非常不一样的性质，为揭示铁基超导材料的形成机理提供了重要的物理信息。铁基超导材料的这种奇特的超导性质是由其独特的电子结构所决定的。袁辉球等说，这类铁基超导材料虽具有二维层状的晶体结构，但其电子结构可能更接近于三维。因此，二维电子特性并不一定是形成高温超导的必备条件。此外，铁基超导材料也表现出许多与重费米子材料相类似的性质，特别是在磁与超导的相互作用方面。袁辉球还推测，铁基超导材料可能是连接低温的重费米子超导与高温铜氧化合物超导的一个重要桥梁。
    
    铁基超导材料的高临界超导转变温度、高上临界磁场及其独特的三维超导特性说明，铁基超导材料具有与先前研究过的超导材料不同的特征，这将为高温超导研究注入新的思维。若能进一步提高其超导转变温度，铁基超导材料将具有比铜氧化合物更为重要的应用价值。
    
    据了解，该研究得到了科技部、教育部、中国科学院及国家自然科学基金的资助。
    
    （本报记者 赵鹰 王静 通讯员 周炜）2009-2-4 A1 要闻