2008年3月1日-5日,活跃在超导研究最前沿的一群中国科学家齐聚在中国科学院物理研究所,这里正在召开“高温超导机制研究态势评估研讨会”,探讨迷惘的高温超导研究未来之路,试图甄别铜基高温超导研究的突破点。此时,同一栋楼里的超导实验室和极端条件实验室里已悄然走在了超导研究变革的前沿。2008年2月23日,日本西野秀雄研究小组报道了在氟掺杂的镧-铁-砷-氧体系中存在26 K的超导电性。中国科学家在得知消息的第一时间里合成了该类材料并开展了物性研究,其中中科院物理所和中国科大的研究人员采用稀土替代方法获得了一系列高质量的样品,惊喜地发现其临界温度突破了40 K,优化合成方式之后可以获得55 K的高临界温度。新一代高温超导家族——铁基高温超导体就此诞生,这一次从新超导体发现到临界温度突破麦克米兰极限仅仅用了不到三个月的时间,新的超导记录几乎以天为单位在不断更新。在随后几年里,新的铁砷化物和铁硒化物等铁基超导体系不断被发现,典型母体如镧-铁-砷-氧、钡-铁-砷、锂-铁-砷、铁-硒等,这些材料几乎在所有的原子位置都可以进行不同的掺杂而获得超导电性。铁基超导家族成员数目粗略估计有3000多种(许多还尚待发现),可谓是目前发现的最庞大超导家族。铁基高温超导体的发现无疑为当时几近低迷的高温超导研究注入了一股前所未有的“强心剂”,已逾百年的超导研究从此焕发了新一轮的青春活力。
作为继铜基超导体之后的第二大高温超导家族,铁基超导体具有更加丰富的物理性质和更有潜力的应用价值。它和铜基超导体存在“形似而神不似”关系,晶体结构、磁性结构和电子态相图均非常类似;但是它从电子结构角度又属于类似二硼化镁那样的多带超导体;其母体更具有金属性,和具有绝缘性的铜氧化物母体截然不同(铜氧化物仅在掺杂后才出现金属性);目前已经确认电子配对概念仍然适用,在配对媒介上可能和铜基超导体类似,但配对方式上却更接近于传统金属超导体;总体来说,铁基超导体更像是介于铜基超导体和传统金属超导体之间的一个桥梁。通过多年来在铜基超导研究中的经验和技术积累,铁基超导研究的进度已经大大加速,目前六年来的研究成果几乎可以和铜基超导近30年以来的研究成果相匹敌,在某些方面甚至超越了之前高温超导研究的认识。有了这道桥梁,高温超导研究之路已经不再像是空中楼阁,而是“有径可循”了,高温超导的微观机理的神秘面纱正在缓缓揭开。在应用方面,铁基超导体由于其金属性,更加容易被加工成线材和带材,而其可承载的上临界磁场/临界电流和铜基超导体相当,甚至有可能更优越。当然,制备铁基超导材料大部分情况下需要砷化物和碱金属或碱土金属,具有较强的毒性同时又对空气异常敏感,这对材料制备工艺和使用安全方面提出了更高的要求。在超导的弱电应用方面,铁基超导还处在刚刚起步阶段,相对已经趋于成熟的铜基超导弱电应用还有很大差距。从材料角度来说,铁基超导体更具有灵活多变性,这让高温超导的研究空间大大得到了拓展,许多实验现象也可以在不同体系进行比照研究,从而得出更加普适的结论。如前所述,几乎在铁基母体材料任何一个原子位置进行不同价位甚至同价位的元素掺杂都可以实现超导电性,不同体系材料超导电性随着外界压力演变也有所不同。更有趣的是,日本科学家还发现用各种酒泡过的母体材料也可以超导,真是“醉翁之意不在酒,在乎超导之间也”!铁基超导体的发现极大地鼓舞了超导材料探索者的信心,正如发现二硼化镁的日本科学家豪言:“我相信世界上所有材料都有可能成为超导体,只要引入足够多载流子或足够强的压力或足够低的温度等外界条件,就有希望实现超导!”