铁基超导体及其发展趋势概述 刘明坤 王红宇 王浩 王天倚 何亮Summary：铁基超导体自2008年发现以来就受到人们的广泛关注，对于铁基超导体的研究主要包括探究更高的转变温度，铁基超导体的应用以及铁基超导体的制备方法等等本文对铁基超导体的发展及其特点进行了概述Key：铁基超导体;超导转变温度;零电阻一、超导现象和超导体1911年，荷兰科学家昂尼斯（Kamerlingh Onnes）将汞单质温度降低到4.2 K时发现其电阻降为零，这是人类历史上首次发现的超导现象[1]所谓超导现象指的是当温度降低到某一临界温度时，某些材料的电阻突然消失，同时内部磁感应强度也变为零的现象自超导现象被发现以后，科学家们一直致力于对超导体的探索发现以及对超导现象微观机理的研究超导体的基本参数主要有临界温度，临界磁场以及临界电流其中临界温度Tc是限制超导体应用的最重要参数除了具有零电阻现象之外，超导体还具有迈斯纳效应、磁通量子效应、约瑟夫森效应等特殊的物理性质超導体的这些特性决定着超导材料具有广阔的应用前景：零电阻特性可以用于电流的无损传输，获得普通的有阻导体所无法获得的永久电流、产生强磁场等;迈斯纳效应可以用于磁屏蔽;约瑟夫森效应可以用于微弱电磁测量等。
这些应用领域包含了电工电力、交通、军事、医疗卫生等与人们息息相关的领域二、铁基超导体铁基超导体是2008年由日本的H.Hosono研究团队首先发现的[2]，其研究成果表明LaFeAsO1-xFx具有26K的超导转变温度这一发现打破了人们对于铁元素不利于超导的固有认识，使得铁基超导体正式的进入人们的视野铁基超导体与同为高温超导体的铜基超导体类似，是铁元素与其他元素结合形成的超导体，且铁元素是组成超导体的主要材料铁基超导体是通过掺杂引入空穴、电子或化学压力压制反铁磁序诱导出超导电性在铁基超导体没有出现以前，根据BCS理论提出的电子配对原则，普遍认为铁这种具有铁磁性的元素是不能成为超导体的，甚至在超导体中加入磁性元素都会大大降低超导性，但后来发现由于铁元素成面后其铁磁性会消失，所以在铁基超导体材料中磁性和超导可以微观存在，因此BCS理论并不能完全解释铁基超导体的超导机制铁基超导体材料作为高温超导体材料，比低温超导材料具有更高的临界转变温度和上临界磁场在临界转变温度方面，铁基超导体的转变温度要比铜基超导体的临界转变温度低，但铁基超导体同时具有各向异性较小等特点，且在外界有强磁场干扰的情况下仍然具有很强的载流能力。
到目前为止，铁基超导体的临界电流密度可以高达105 A/cm2以上，可用于强磁场环境中现有的铁基超导材料种类繁多，按其成分和晶体结构，主要分为4大体系：“1111”体系、“122”体系、“111”体系和“11”体系[3]1111”体系是最早发现的铁基超导体的一族体系，也是目前研究最为深入的体系，该体系为ZrCuSiAs型四方晶体结构，空间群为P4/nmm，通常是F元素在O位置掺杂而成，目前转变温度最高的就是以SmFeAsO1-xFx为代表的“1111”体系的铁基超导体1111”体系的铁基超导体的临界电流密度较高，上临界场也比较高122”体系是具有ThCr2Hr2层状结构的铁基超导体，是目前研究最为广泛的一类体系有很多化合物都具有ThCr2Hr2层状结构，但是超导临界温度多数都小于5K “122”体系铁基超导体的空间群为I4/mmm，且为体心四方点阵结构，在这类超导体中，“122”体系的铁基超导体会在高温下发生铁空位的结构相变111”体系的铁基超导体具有四方的PbFCl晶体结构，是继“1111”体系和“122”体系后第三个发现的体系，“111”体系的铁基超导体较其他的铁基超导体来说其电子的关联性较弱，转变温度较低，但由于无需特殊的掺杂就能表现出超导性质，所以非常适用于基于表面实验技术的研究。
11”体系的铁基超导体的结构简单，对于制备有很大的便捷性，在应用时对于外包材料的要求比较少，同时“11”体系的铁基超导体对掺杂敏感性高，虽然其转变温度低，但在应用上仍然具有重大的意义下面对四大体系以表格的形式对相关的特点进行总结三、铁基超导体的发展历程继日本的H.Hosono研究团队发现铁基超导体后，中国科学院物理研究所陈根富、王楠林团队于2008年3月采用传统的固相反应方法，先后成功制备了超导转变温度为40 K以上的Sm[O1-xFx]FeAs超导体[4]几乎同时，赵忠贤团队通过高温高压合成结合轻稀土元素替代的方案，带领团队首次将铁基超导体的临界温度从26K提高到52K[5]，显著超过了40K的麦克米兰极限不久之后，在50K以上的铁基系列超导体中，又合成出了绝大多数超导温度在50K以上的超导体，创造了大块铁基超导体的最高临界温度55 K的记录[6]中国科学院物理研究所靳长青团队于2008年6月30日公布，发现LiFeAs超导体在18K下表现为超导性，这一超导体由插入碳原子层构成，具有Cu2Sb型四方结构，空间群为P4/mmm，简称"FeAs-111"除LiFeAs外，目前还发现NaFeAs具有9～26K的起始超导转变温度[7]，通过压力可使Tc达到31K。
美国普林斯顿大学 R.J.Cava实验小组于2011年6月发现，电子型掺杂超导体Ca10（Pt3As8）（Fe2As2）和Ca10（Pt4As8）（Fe2As2）（Pt3As8）[8]，Tc分别为11K和26K，并将其缩写为"FeAs-10-3-8"和"FeAs-10-4-8""10-3-8"属于是三斜晶系，空间群是P-1，其晶格常数是a= b=8.759 Å，c = 10.641 Å，而"10-4-8"其晶格常数是a= b=8.733 Å，而c=10.481 Å在2013年11月，日本名古屋大学和东京大学分别公开报告了一种新型FeAs超导体：Ca1-xLaxFeAs2[9]和（Ca，Pr）FeAs2[10]，Tc分别为20K和34K这种超导体为单斜结构，空间群为P21，Fe2As2层中间夹有 Ca/La/Pr离子层和As-As链，As-As链位于 Ca/La/Pr离子层中间 2016年5月，曹光旱课题组报道了由 CaFeAsF与KFe2As2共插层形成的KCa2Fe4As4F2超导体[11]，Tc为33 K，简称"FeAs-12244"这种超导体具有I4/mmm的晶体学空间群下面利用表格对上述铁基超导体发展历史中出现的典型的铁基超导体的转变温度与晶胞参数进行汇总，汇总表格如下：铁基超导体是高温超导体，所以临界温度比较高，且上临界场和临界电流密度也比较高，同时也具有各项异性较小的特点。
在探究铁基超导体的各项性质与影响的同时，这些特点也被加以利用，作为高温超导体，最终的目的都是要应用到各项技术中去的，作为高温超导体的第二大体系，铁基超导体自然也有多种领域的应用，比如，利用其自身上临界场较高，可以应用在各种外界磁场较高的环境中，例如：核磁技术;磁悬浮列车等等铁基超导材料从2008年被发现到至今十余年的时间里，铁基超导体的发展是十分迅速的，从零到突破麦克米兰极限只用了短短的三个月时间我国目前走在铁基超导体研究的前沿，相信在科研工作者的不懈努力下，在不久的將来，铁基超导体会取得更重大的突破Reference[1]H.K.Onnes，Commun.Phys.Lab.Univ.Leiden，12，120（1911）.[2]Y.Kamihara，T.Watanabe，M.Hirano，and H.Hosono，J.Am.Chem.Soc.130，3296 （2008）.[3]闻海虎.新型高温超导材料研究进展[J].材料研究学报，2015，29（04）：241-254.[4]G.F.Chen et al.，Superconductivity at 41 K and its competition with spin-density-wave instability in layered CeO1-xFxFeAs.Physical Review Letters 100，247002 （2008）.[5]Ren Z A，Lu W，Yang J et al.Chin.Phys.Lett.[J].2008，25 ：2215.[6]Z.A.Ren et al.，Superconductivity and phase diagram in iron-based arsenic-oxides ReFeAsO1−δ（Re = rare-earth metal） without fluorine doping.EPL（Europhysics Letters） 83，17002 （2008）.[7]G.F.Chen，W.Z.Hu，J.L.Luo，N.L.Wang，Multiple phase transitions insingle-crystalline Na1-xFeAs.Physical Review Letters 102，227004 （2009）.[8]C.Lohnert et al.，Superconductivity up to 35 K in the iron platinum arsenides（CaFe1-xPtxAs）10Pt4-yAs8with layered structures.Angewandte ChemieInternational Edition 50，9195-9199 （2011）.[9]N.Katayama et al.，Superconductivity in Ca1-xLaxFeAs2：A Novel 112-TypeIron Pnictide with Arsenic Zigzag Bonds.Journal of the Physical Society ofJapan 82，123702 （2013）.[10]H.Yakita et al.，A new layered iron arsenide superconductor：（Ca，Pr）FeAs2.Journal of the American Chemical Society 136，846-849 （2014）.[11]Z.C.Wang et al.，Superconductivity in KCa2Fe4As4F with Separate Double Fe2As Layers.Journal of the American Chemical Society 138，7856-7859（2016）.科技信息·学术版2021年15期科技信息·学术版的其它文章炸药粒度对破甲威力影响的研究医院档案数字化管理及质量控制的思考大数据时代的数据可视化概念分析中职电子商务专业产教融合、校企合作教学模式探究互动式教学模式在中职计算机教学中的应用研究计算机网络安全中数字加密技术的探讨 -全文完-。