遍寻元素周期表开发新型超导体

近二十年时间里，人们寻找能在高温环境下工作的超导体的努力仅仅局限于铜。现在，科学家研发出一类新型铁基高温超导体，材料科学家们也在尝试其他元素组合用于该项应用。长久以来，在高温超导材料研制这一领域要获得突破既需要判断力又不能缺少运气，所以研究者们希望这种新型材料能够为研究产生高温超导特性提供一些线索。

超导体导通电流时不存在电阻，如果能够在常温下保持这一特性将给电力行业带来划时代的变革。从1986年开始，氧化铜陶瓷材料（铜酸盐）占领了高温超导材料领域，氧化铜圆盘可以在许多物质的周围层之间传导电子。尽管，1995年138K被确定为高温超导材料的工作温度（在周边大气压下），自那以后该领域进展之缓慢令人相当沮丧。多数其他种类的超导体一般只能在绝对零度下工作。

日本和中国研究者今年研发的材料，例如，被稀土氧化物掺杂包被以获得额外电荷负载能得力砷铁化合物，目前只能在液氮的沸点温度工作，不过这一材料具有超导性的温度已经达到令人鼓舞的55K。“你绝想不到能在这个温度获得超导性，”在佛罗里达州立大学国家高电磁场实验室工作的材料学家David Larbalestier说。

新化合物的第一个是2008年二月由东京科技研究所的Hideo Hosono以及他的同事报告的氟掺杂镧氧铁砷（LaOFeAs）[1]。它是一种能在26K温度下工作的超导体，且在加压的条件下工作温度还可以更高。其后，合肥中国科学技术大学陈仙辉的研究队伍将其中的镧替换为钐(SmO_1-x F_xFeAs)，使得获得超导性的临界温度上升到43K[2]。中国北京国家超导实验室的赵忠贤小组也研制出其它稀土元素的同类化合物，其工作的临界温度达到50K；在加压的条件下，目前钐元素保持着55K的最高工作温度记录[3]。

至今为止获得的这些材料其晶体结构都非常相似，人们期望对[稀土元素][氧][掺杂物][过渡金属元素][五价元素]这一化学公式不断替换修改来获得大量新的材料。“你可以尝试替换这一公式中任意一个位置的元素，”诺克斯维尔的田纳西大学的物理学家戴鹏程说。其中，稀土元素可以在镧、钐、镨、钕、铈、钆之间变换。也可以把砷替换成磷，铁替换为镍，甚至把掺杂物由提供额外的电子的氟替换成提供空穴的锶或氧，虽然这些材料在实验中还没有能达到一个很高的临界超导温度(T_c)。

铁基超导体的工作原理是否和传统的铜酸盐一致还清楚。科学家们怀疑，在两个系统中电子都是无障碍地在砷铁或共角二维正方铜氧化物层之间穿越，而不是通过传统低温超导理论中涉及的声子（点阵振动）这一途径。戴鹏程课题组在5月28日发表的研究结果显示，未掺杂的氟掺杂镧氧铁砷是反铁磁性的——这个意思就是说不同排的铁离子磁性相反——但一旦材料被掺杂，超导性能被引入这一特性就消失了[4]。这与铜酸盐的表现很相似；从另一方面来说，铁化合物在室温下也能导电，而铜酸盐是绝缘体。

“理论学家倾向于认为他们能够预测事物，但最好的超导体不会仅仅靠对同一类物质做相似的研究就能获得。”戴鹏程说。下一阶段的实验是培养铁基材料的单晶或薄膜，与铜酸盐材料相比这更难制作。陈仙辉说，将多层砷化铁合成为一个结构也能提高临界温度，正如在传统的超导体中发生的那样。

深入元素周期表的不同区域来寻找更多高温超导体令人非常振奋，不过这并不足以为这一寻找过程指明方向。“在氟掺杂镧氧铁砷材料上观测到由电子掺杂而引起的高临界温度Tc的现象是偶然的，”Hosono说。他的研究小组正在寻找透明的半导体并拣选其中的化合物，这种半导体是90年代由德国蒙斯特大学的Wolfgang Jeitschko以及他的同事们研制的，完全未经掺杂。会有更多高温超导体系统加入原先单一的铜酸盐与磷族元素化物的行列吗？“游戏才刚刚开场，”戴鹏程说。

Richard Van Noorden