作者:封东来等 来源:《自然—材料学》 发布时间:2011-3-9 14:13:51
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研究揭示新高温超导体电子结构

新年伊始,复旦大学物理系应用表面物理国家重点实验室及先进材料实验室的封东来教授课题组在高温超导研究领域便传捷报。该组运用角分辨光电子能谱仪(Angle-resolved Photoemission Spectroscopy,ARPES)率先揭示了2010年末发现的新型铁基高温超导体KxFe2Se2与众不同的奇异的电子结构。该成果已于2011年2月27日在线发表在国际一流刊物《自然—材料学》(Nature Materials)。
 

上左图:超导的迈斯纳效应导致超导体可在磁场中悬浮
上右图:影片《阿凡达》中的常温超导矿石和在地磁场中悬浮的哈利路亚山
 
超导现象是20世纪人类最重大的发明之一。1911年,荷兰莱顿大学的卡末林—昂内斯意外地发现,将汞冷却到零下268.98℃的转变温度时,汞的电阻突然消失了,电流可以毫无阻力地通过导线;后来他又发现许多金属和合金都具有与上述汞相类似的低温下失去电阻的特性,由于它的特殊导电性能,卡末林—昂内斯称之为超导态。这一发现引起了世界范围内的轰动。此后,人们将处于超导状态的导体称为超导体,将具有在一定的低温条件下呈现出零电阻以及排斥磁力线的性质的材料称为超导材料。1911年被作为超导元年。科学研究总是与社会生活相辅相成,与美好的想象相伴相随。超导现象的出现,让科学家们大胆设想:如果能将超导材料的转变温度提高到室温,人们生活的方方面面将因此经历一次新的革命,人们将再也不会为电子产品发热而苦恼、一次充电就可能维持手提电脑几个月的使用、出门就能轻松乘坐时速几百公里以上的磁悬浮“无轮”列车……这些画面虽然另人神往,但到目前为止,人们也只能在科幻电影《阿凡达》中的潘多拉星球上领略到超导的绝美之处。
 
100年来,科学家们为提高超导材料的转变温度的步伐从未停止过:
 
到了上世纪70年代,常规超导的转变温度,已经达到零下250℃左右。
 
1986年,科学家发现了铜氧化物“高温”超导体,因为相对于常规超导,其转变为超导体的转变温度可达零下120℃之高。但是至今为止,铜氧化物的超导机理仍然是困扰科学家的难题。
 
2008年,铜氧化物不再孤独,铁基化合物成为高温超导家族的第二个成员。虽然其转变温度目前最高才达到零下217℃,但它的出现不仅意味着物理学家可以在这个新超导家族中探索转变温度更高的超导体,同时通过比较铜氧化物和铁基化合物这两种高温超导体,可以找到关键线索,最终解开高温超导这个未解之谜。
 
封东来教授领导的科研组是国际上最早应用ARPES研究铁基高温超导体电子结构的小组之一。在科技部、国家自然科学基金委和上海市科委项目的支持下,他们和中国科学技术大学陈仙辉等小组合作,准确揭示了包含1111,111,122,11四系的10余种铁基材料的电子结构,给理论工作提供了有力的实验支持。在短短两年多时间里,封东来教授课题组在Physical Review Letters, Physical Review B等高水平科学杂志上已发表了17篇铁基超导体系列研究论文,有力推动了人们对铁基超导体的认识。
 

 FeSe化合物和FeAs化合物截然不同的电子结构
 
就在铁基超导体的超导温度一直没有突破零下217度,其超导机理也没有得到解决的时候,一种新的铁基超导材料KxFe2Se2近期问世,其超导转变温度达零下242度。其独特的性质更引起全世界物理学家的关注。封东来教授课题组通过对KxFe2Se2进行各种本地和同步辐射实验测试,终于获得了其完整的电子结构,并且测得了各向同性的s波超导能隙。令人惊奇的是,这种材料的电子结构和以往的铁基超导体完全不同:整个费米面没有空穴, 而只存在电子。封东来教授课题组的这一研究发现意味着,KxFe2Se2这种新的铁基超导体的配对机制及超导对称性都与其它已知铁基超导体不同,之前建立的铁基超导体的普遍图像将可能遭到颠覆;这也犹如一剂强心剂,进一步激发起了科学家们探索超导奥秘的热情,让高温超导研究再度升温。目前,该项研究已经在线发表在《自然—材料学》(Nature Material)上,为超导探索百年诞辰献上了一束美丽的迎春花,同时也预示着超导研究将迎来一个新的美丽春天。(来源:复旦大学)
 
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