2013年度:40K以上铁基高温超导体的发现及若干基本物理性质研究
发布时间:2015-11-25 10:17

40K以上铁基高温超导体的发现及若干基本物理性质研究

2013年度国家自然科学奖一等奖

一、项目概况

作为宏观量子现象的超导电性具有重要的基础科学研究价值和巨大的应用前景。探索新的高临界温度超导体是各国科学家长期以来追求的目标。铁基高温超导体的发现是继铜氧化物高温超导体之后最重要的进展。以本项目成员为代表的中国科学家基于长期积累做出了大量原创性的工作,取得了突破性进展。赢得了国际学术界的广泛认可,引领和推动了铁基超导及相关领域的研究和发展,激发了世界范围内新一轮高温超导研究的热潮。

传统BCS 理论认为超导临界温度存在约40K 的麦克米兰极限,日本科学家发现的铁基超导临界温度仅为26K。以项目完成人为代表的中国科学家基于长期积累,意识到铁基材料存在超导电性的重要意义,很快在铁基超导材料和若干物理性质研究方面取得了突破性进展。

首先,他们突破麦克米兰极限温度,从而证明了铁基超导体是高温超导体。研究人员在掺F的SmOFeAs中成功观测到了43K超导转变温度,论文在Nature发表之后,立刻聚焦了全球学术界的目光,至目前已被SCI他引823次。国际著名学术期刊Nature,Science以及Physics Today等都对该工作进行了相关报道,Nature Chemistry和Nature China将这一工作做为亮点进行了介绍。很快,他们又用Ce替代Sm达到了41K的转变温度,同样超过麦克米兰极限,并且从输运和红外光谱测量观察到该体系存在超导与反铁磁自旋密度波有序的竞争,绘制了该体系完整的相图。该项研究指出与反铁磁自旋密度波不稳定性邻近是该材料存在高温超导电性的要素之一。不久之后,他们在掺F的PrOFeAs中观察到了52K的超导转变温度,首次把铁基超导体的转变温度提高到50K以上。

其次,在这一不断刷新铁基超导体转变温度的过程中,研究人员合成了一系列超导转变温度在50K以上的铁基超导材料,被国际物理学界确认为继铜基超导体之后人类发现的又一个高温超导家族。其中,他们通过优化SmOFeAs中F的掺杂配比将转变温度提高至55K,这已被多次重复和确认为铁基超导体临界温度的世界纪录。除了用F掺杂以外,他们还积极尝试通过O缺位制备出了多种铁基超导体,加深了人们对铁基超导体中电子结构和超导电性机理的了解和认识。与此同时,他们制备出了掺Sr的LaOFeAs,首次成功发现了空穴型载流子为主的铁基超导材料,推翻了过去国际学术界对于“LaOFeAs系统中实现超导的关键是电子型载流子”的错误认识。

第三,研究人员通过若干物理性质的研究,确认了铁基超导体的非常规性。他们通过实验测量和理论计算,首次指认LaFeAsO母体具有自旋密度波态,指出超导和自旋密度波态相互竞争,预言了自旋密度波态的条纹状反铁磁结构,并通过国际合作证实了理论预言的磁结构。之后在其他体系中也发现完全类似的超导与自旋密度波竞争关系,揭示这种竞争序是该类铁基超导体的普适行为。这方面工作为认识铁基超导体磁性与超导电性关系奠定了基础。在这以后,他们建立了多个铁基超导体系中超导电性和自旋密度波竞争的相图,配合高质量单晶的生长、测量和同位素效应的观测,为理解高温超导机理提供了重要线索。

对此,国际知名科学刊物Science刊发了“新超导体将中国物理学家推到最前沿”的专题评述,这样评价道:“中国如洪流般涌现的研究结果标志着,在凝聚态物理领域,中国已经成为一个强国”。同时铁基超导体研究被评为美国Science杂志“2008年度十大科学突破”、美国物理学会“2008年度物理学重大事件”及欧洲物理学会 “The best of 2008”,入选“2008年度世界十大科技进展新闻”、“2008年度中国基础研究十大新闻”。铁基超导研究主要成员还荣获了香港求是科技基金会“2009年度求是杰出科技成就集体奖”。

发现铁基高温超导以来,项目获奖单位中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(以下简称物理所/国家实验室)发表了诸多高质量的SCI论文,相当篇数的论文引用次数位居世界前列。中国科学院国家科学图书馆在2013年2月的统计结果显示,世界范围内铁基研究领域排名前20篇的高被引论文中,中国有9篇,其中7篇均来自物理所/国家实验室。相关工作在美国物理学会年会、美国材料学会年会、国际低温物理学大会、国际超导材料与机理大会、国际磁学大会、国际强关联电子系统会议等本领域最重要的国际学术会议上做特邀报告160 余次。物理所/国家实验室还应美方邀请与美方联合组织了“中美双边新奇超导体会议”,迄今已经举办了3届。这一切都表明,物理所/国家实验室在铁基超导方面的研究,已经走在了世界的最前沿。

二、获奖后的主要进展

自获得国家自然科学一等奖以来,超导领域研究获得科学界广泛关注,物理所/国家实验室相关项目获得国家大力稳定支持,其中973A类项目1项,国家自然科学基金项目超过40项。项目获奖单位也积极为超导研究团队创造良好的科研环境,提供先进的科研设施平台,为项目的进一步研究提供有力的支持与协助。最近,超导团队在高压诱导拓扑绝缘体Bi2Te3超导性研究、新型铁基超导体高压研究以及铁基磷族化合物超导体高压研究等方面又取得重要研究进展,相关科研成果发表在Nature、PRL、Advanced Materials等国际著名刊物上。

项目骨干科研人员还相继获得了国内外其他多项奖励。其中,赵忠贤院士获得2014年度何梁何利基金科技成就奖;王楠林研究员、方忠研究员获得汤森路透“高被引科学家奖”、“最具国际引文影响力奖”和“科研团队奖”;方忠研究员获得周培源物理奖和周光召基金会基础科学奖等奖项。

完成人:赵忠贤(中国科学院物理研究所),陈仙辉(中国科学技术大学),王楠林(中国科学院物理研究所),闻海虎(中国科学院物理研究所),方忠(中国科学院物理研究所)


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