中国科学团队制造55K铁基超导体转变温度世界纪录
凌晨两三点钟,中国科学院物理争论所〔以下简称物理所〕争论员王楠林和同事陈根富、雒建林匆忙走出D楼的大门,各自回家休息。
三四个小时后,他们又回到试验室连续工作。
2025年3月,铁基超导争论竞争全面铺开,王楠林和他的同事常常要过着这样的生活:在试验室工作到凌晨,回家冲个澡,休息几个小时甚至个把钟头,便又回到试验室开头一天的工作。
1911年,荷兰物理学家卡麦林·昂尼斯觉察超导之后,已经有10人因超导争论获得诺贝尔奖。因此,对超导机理以及全超导体的探究,是当今物理学界最重要的前沿问题之一,被誉为“20世纪最宏大的科学觉察之一”。
如此重要的领域,中国科学家自然不能缺席。
自2025年以来,他们将目光逐步对准了铁基高温超导体。这种超导体以铁为关键化学元素,与1986年欧洲科学家觉察的铜氧化物高温超导体相比,在工业上更加简洁制造,同时还能够承受更大的电流,具有更广泛的应用。
物理所和中国科学技术大学〔以下简称中科大〕的中国科学家不仅首先使铁基超导体突破了“麦克米兰极限温度”〔40K,约零下233摄氏度〕,制造了铁基超导体临界转变温度的世界纪录,并且在铁基超导的电子构造、物性和机理争论方面均到达国际一流水平,形成了强大的中国超导团队。
“一个或许本不该让我惊异的事实就是,竟然有如此多的高质量文章来自北京,他们确确实凿已进入了这一〔分散态物理强国的〕行列。”著名理论物理学家、美国佛罗里达大学教授PeterHirschfeld评价道。
超导中的璞玉
早在2025年,陈根富在德国马克斯-普朗克学会做访问学者时,就对当时报道的镧氧铁磷超导体很感兴趣,并认为用砷取代磷也可能具有超导等格外规的物理性质。
2025年9月,陈根富一参加物理所王楠林争论组,就提出要做镧氧铁砷超导材料的制备争论,并打算开展其他稀土替代物铈氧铁砷等材料的合成。
但稀土元素镧、铈等简洁氧化,砷在空气中又可能氧化生成砒霜。由于缺乏手套箱等根本设备,陈根富只得放弃镧氧铁砷材料的多晶制备,从难度更大的单晶生长入手。
为尽量避开稀土和砷粒被氧化,陈根富一边戴着医用胶皮手套和口罩防止砷中毒,一边快速取出玻璃管中封存的砷和稀土,称量后马上将其封入钽管,放入高温炉中促使其进展单晶生长。
经过一段时间的摸索,闪着银白色金属光泽的片状化合物单晶合成出来,后确认为铁砷。尽管没有生长出预期的镧氧铁砷单晶样品,试验结果也为后面的争论奠定了根底。
2025年2月18日,日本东京工业大学细野秀雄争论组报道在四方层状的铁砷化合物:掺氟的LaOFeAs〔镧氧铁砷化合物〕中存在转变温度为26K〔零下247.15摄氏度〕的超导电性。虽然这个转变温度仍旧低于40K,但却马上引起了物理所从事超导争论人员的留意。
他们敏锐地觉察,由于铁的3d轨道电子通常倾向形成磁性,因此在该种构造体系中消灭26K
超导非同寻常,极有可能具有格外规的超导电性。
“镧氧铁砷不是孤立的,26K的转变温度也大有提升空间,类似构造的铁砷化合物中很可能存在系列高温超导体。必需抓住机遇,全力以赴!”中科院院士赵忠贤和团队成员得出全都结论。东方超导强国
只有26K,远低于40K的“麦克米兰极限温度”。当时的国际物理学界对铁基超导体仍举棋不定。
中国人的坚持彻底消除了外国人的疑虑。
“在过渡金属化合物中,除了铜氧化物,镧氧铁砷的临界温度已经格外高了。特别是铁简洁形成铁磁有序,竟然能够在这么高的温度就实现超导,我们格外感兴趣。”王楠林停下了手中的其他工作,召开组会,发动课题组全力以赴投入到铁基超导体的争论当中。
由于之前试图生长铁砷化合物单晶时积存下不少阅历,陈根富很快就在刚调试好的手套箱上,以另外一种合成路径制备出临界温度超过20K的镧氧铁砷多晶样品,课题组其他成员快速进展物性表征。
那段日子,陈根富和同事每天睡眠时间极少,不仅要自己探究材料,还要为其他争论组供给高质量的超导样品。
当时,很多国外争论组苦于没有样品,做不了试验,纷纷向物理所恳求样品支援。美国普林斯顿大学的一位教授在E-mail中甚至提到请诺贝尔物理学奖得主P.W.Anderson给物理所所长王玉鹏写信,期望拿到一些铁基超导单晶样品。
但王玉鹏建议:“有充裕的应先满足中国同行。”
随后,正如《科学》杂志一篇题为《其次类高温超导家族被觉察》的报道中所说的“:接着,中国争论者〔将超导争论〕接收过来”。
不到一个星期的时间,中国科学技术大学陈仙辉争论组和王楠林争论组几乎同时分别在SmO1-xFxFeAs〔铁基砷化物〕体系和CeFeAs〔O,F〕中观测到了43K和41K的超导转变温度,突破了“麦克米兰极限”,从而证明铁基超导体是继铜氧化物后的又一