铁基超导体物性探究及其新进展

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铁基超导体物性探究及其新进展摘要：铁基超导体是继铜氧化合物高温超导体之后又被发现的一类新型高温超导材料。本文通过解释超导现象引入，并介绍了铁基超导体的应用、结构体系、制备方法以及一些铁基超导体材料研究的新进展，最后展望了这种新超导体的应用前景。关键词：铁基超导体铁基超导体的应用铁基超导体的结构铁基超导体的制备1、引言超导是一种宏观量子现象，费米面上动量相反的电子配成对，同时建立长程的位相相干进而发生凝聚，其结果是超导体在临界温度下电阻的消失（零电阻）和对磁力线的排斥（完全抗磁性）。在正常金属中，电子在一个充满各种振动的背景中运动。最普通的是晶格的振动。晶格的振动模可以被一种称为“声子”的元激发进行描述。电子和声子碰撞后损失了动能进而导致能量的损耗，这也就是正常金属在有限温度下电阻的来源。然而在零温极限下所有的振动模式都停止了（不计量子涨落），所以一个干净的系统中能量的损耗和电阻率都是为零的。对于一个超导体而言，费米面上的电子两两吸引形成束缚对，这种束缚的电子对被称为库珀对，库珀对服从玻色统计，在临界温度（TC）下发生凝聚，这种凝聚态具有很长的相干长度，因而对晶格振动导致的局域散 射不敏感，所以输送上并不损耗能量，电阻率可以在较高温度（TC以下）保持为零。与此同时，II类超导体具有在很高的磁场下承载巨大电流密度的优越性能，人们因此对高临界温度的新超导体充满了期望。2、铁基超导体的应用2.1超导磁悬浮列车随着国民经济的发展，社会对交通运输的要求越来越高，因而需要有时速达数百公里的快列车。磁悬浮列车具有高速（2500km/h）、安全、噪音低等优点，是未来理想的交通工具。磁悬浮列车是利用磁悬浮作用使车轮与地面脱离接触悬浮于轨道之上，并利用直线电机推动列车运动的一种新型交通工具。超导磁悬浮列车设想是美国与1966年首先提出的。具体方案是在轨道上安装一系列电机电枢绕组，这些绕组从电网获得电能并与车体内超导磁产生的磁场相互作用，并产生推力推动列车前进。在列车静止和低速运行时,它仍利用车轮支撑，当列车加速到一定速度时，通过铺设在轨道上的悬浮线圈和车体内的超导磁体相互作用产生足够的推斥力，将列车悬浮起来。2002年12月31日举世瞩目的上海磁悬浮列车线进行了首次试运行，它是世界上第一条投入商业运营的磁浮列车线，全长共30km,单向运行约8mino2.2超导磁场净化有人曾设想用超导强磁场除去水中的重金属，悬浮物和某 些微生物，从而使被污染的河流和湖泊得到净化。为了使瓷器更洁白漂亮，也可用超导体制成高梯度强磁场除去高岭上土中的金属磁性杂质。3、铁基超导体的典型体系人类寻找新超导体的历史已经持续将近100年，在最初的几十年中，新超导体的探索主要集中在单元素材料和多元素合金上。但这些材料的超导转变温度不超过23Ko直到1986年底，发现的铜氧化物超导体的超导转变温度才高于30Ko转机发生在2008年2月初，日本东京工业大学HideoHosono教授的团队发现铁基层状材料La[01—xFx]FeAs(x=0.05-0.12)在绝对温度26K时存在超导性,从此研究铁基超导体(指化合物中含有铁，在低温时具有超导现象，且铁扮演形成超导的主体的材料)便在世界上形成一股热潮。4、铁基超导体的物性研究及进展4.1铁基超导体的物性研究经研究发现的具有层状结构的新铁硒超导体KFe2Se2,其空间群为14/mmm,与BaFe2As2同构，其超导转变温度在30K左右，此温度是FeSe层状化合物在常压下所展现的最高超导转变温度。更重要的是，该材料是一种超导转变温度接近铁碑层状化合物且不含碑的新型超导体。4.2铁基超导体研究新进展4.2.1铁基超导物性理论研究取得新进展 北京理工大学物理学院杨帆副教授和清华大学高等研究院翁征宇教授研究组以及北京师范大学物理系寇谡鹏教授合作对体积超导体体系进行了研究，提出了所谓“轨道选择的Mort—绝缘体”这一概念。即认为在铁的5个3d轨道中，部分轨道中的电子由于强的电子关联先发生“Mott—相变”而成为局域磁矩，继而这些局域的电子分量经由洪特规则与剩余轨道上的巡游电子产生耦合。此二分量共存并耦合，共同承担体系的物理性质。基于此物理图像，他们系统的研究了体系的磁性、输运行为、超导电性以及相图等物理性质，取得了一系列与实验观测相一致的研究结果。在磁性方面，他们研究了体系在进入反铁磁有序状态之后的自旋激发谱。结果表明体系的低能自旋激发谱被劈裂成无能隙的具有线性色散关系的Goldstone—mode和有能隙的局域磁矩涨落模式。该Goldstone模式只在低能下存在，其能量上边界由巡游电子能隙尺度来界定。在超导方面，他们发现了巡游电子之间通过交换局域磁矩的集体涨落模式作为中介能够产生有效吸引作用并配对从而导致超导。通过自洽格林函数计算，得到了体系超导的配对对称性和包括磁性与超导的相图，与实验结果一致。研究结果表明，巡游电子的费米面的nesting—特征波矢量与局域磁矩的集体涨落模式的特征动量之间的匹配性是决定该体系超导和磁性之间竞争的关键因素。 4、铁基超导体的制备方法方法：将铁基超导体前驱粉经过相应的加工后得到块状或者线带材状样品，然后将块状或者线带材状样品分别放人具有Ar气氛保护或者真空强磁场热处理炉中；在磁场强度0.1-30特斯拉、温度500-1500°C下保温0.1—100小时后,使样品随热处理炉冷却至室温，得到铁基超导体样品。或者烧结好的铁基超导体粉末分散在溶剂中，经过超声波混合后，放在磁场强度在0.1_30特斯拉的磁场中0.1—20小时,然后蒸发掉溶剂，将磁场处理后的铁基超导体粉末放入具有Ar气氛或者真空的热处理炉中，在温度500-1500°C下保温0.1-100小时后，得到铁基超导体样品。5、结论与展望铁基超导体在理论、实验和应用研究方面均取得了举世瞩目的成就。目前利用铁基超导体的零电阻性、完全抗磁性、Josephson效应、磁通量子化和量子干涉效应等一些基本性质以及在强磁场中能承受很大的超导电流和它在超导态一正常态转变时的物理性能的变化，已开始在能源、工业、交通、医疗、国防和科学实验等领域中得到应用，并显示出突出的优点和广阔的前景。由于铁基超导体及其相关的技术应用，必将成为21世纪的核心技术，为造福全人类而做出巨大的贡献。