郭建刚：打破平衡状态，“拉一拉，压一压”，发现超导新材料。

2024-11-16

人类文明的开放始于工具的使用，探索新的工具材料始终是我们不断努力的目标。当“超导态”被发现时，超导材料已经成为国际前沿科学研究之一。

“拉、压、绑”，中国科学家打破了创新科研的平衡探索，使得中国超导研究从国际科研领域跟进和跑步，达到了领先水平。

郭建刚

中国科学院物理研究所研究员

我今日与您分享的一种材料是超导材料。超导材料是什么，我们也要从人类最早探索高性能材料的历史开始。

我们知道，在古代，人们使用骨器和一些木器。随着骨器和木器逐渐不能满足人们对生活水平的发展需求，材料逐渐分为两类，一类是金属材料，另一类是陶瓷技术。

最近一百多年(发现)的一种新材料，其简单的发展历史是一种半导体材料，是金属和瓷器之间的一种特性，其导电特性在两者之间。

从 1947 2008年，半导体行业在利用硅和鲟制作这种二元简单的晶体管后，逐渐进入人类生活，包括我们使用的电脑和手机。

上个世纪也有超导材料。 1911 2008年，发现了一种材料。

超导材料是什么？我们可以看左边的图片。这是一个白色的电阻。随着温度的降低，如果是普通金属，总会有一定的电阻。但如绿线所示，随着超导材料的逐渐降温，在一定温度下会变成超导材料，也就是说电阻完全为零，没有电阻。 1911 2008年发现的金属汞中的超导作用，很快 1913 荷兰科学家每年都会发现超导效应，并获得诺贝尔物理奖。

以后 1933 年又发现，其实超导材料还有一个特点，叫做完全抗磁。

很简单的解释，也就是说，如果一个磁场不进入超导态，它可以穿过这样的物质，但进入超导态后，它可以完全排除磁体，并将其排除在物质之外，这是一种抗磁性。

我不禁要问，为什么会出现超导？美国的三位科学家得到了一个非常经典的解释。简单来说，当两个电子穿过一种材料时，它会导致材料中的一个微区和一个正电畸变。它还会把另一个电子和两个电子绑在一起，形成一个超导电子对。我们知道两个电子是相互排斥的，但是在这样的材料中，两个电子可以凝结在一起，形成一个超导电子。

但这里有一个最重要的推理，我们必须注意的是，超导的临界温度低于 39K 是的，这是一个很重要的指标。

什么材料才是好的超导材料？

这里有三个指标。一是温度要高。如左图所示，温度要高，尽量达到室温。当然，目前还没有室温超导体。所有已经发现的超导材料的温度都集中在极低的温度区域，基本集中在 10K~100K 它们之间有这样的温度。我在这里说的。 K（开尔文热门单位)，与我们所知的℃不同，它有一个转换公式。

我们把高于 39K 这种超导材料，叫做高温超导材料，它只是在低温下相对高温；

另一个指标是它能带来较强的磁场，一般而言，临界磁场大约在那里。 10~100 一个特斯拉上下。我们知道地球上实际上有磁场分布，但磁场很弱，通常在几个微特斯拉上下；

第三个指标是临界电流密度高，也就是说可以承载过去的大电流值非常高，这个临界点大概在。每平方厘米105~6A/cm2，兆安培。

有了这样的指标，我们就对照一下，看看现在有哪些新的或已知的超导材料，大概分为四类。

一种是蓝线所示，这是一些非常常规、低温的超导材料，能看到它最高的温度就是 39K，与我们刚才所说的指标完全一致；

另外三个经典系统中，一个可以看到铜基超导体，其最高温度是 163K，也就是大概在零下。 110 ℃上下；第二个系统就是铁基超导系统，它目前的最高温度是 77K；三是镍基超导系统，其目前的温度也可以达到 85K 上下。

这儿要介绍一下 77K 为何重要？因为 77K 实际上是液氮，N2液化后产生温度。众所周知，空气中有大量的N2，如果一种材料能够存在， 77k 当时，它变成了超导，它的电阻完全消失，并且能够产生强大的磁场，人类实际上在应用过程中价格很便宜。

但遗憾的是，经过100多年的研究，目前只有这三种系统，其超导临界温度高于 77k。

在接下来的两个系统中，我自己也很幸运地参与其中。

现在超导研究就是三个方向，一是找材料，找一些温度较高，甚至到室温的超导材料；

二是要明白为什么会出现超导，这也是目前凝聚物理学家最关心的最大科学问题之一；三是超导的应用。

本人主要研究的方向是在第一方面，探索一些新的系统，可以尽可能地提高超导临界温度。

我们今天介绍的一个系统——铁基超导系统。

正如我们刚才所说，超导是抗磁的，但是如果在外面加一个强磁场，就很容易破坏超导。很难发现这种铁基超导体。为什么呢？因为铁本身磁性很强。

为了生成一些新的系统，我们试图找到一些不含磁性的材料，这是非常容易的。前面的科学家，经历了从 1911 年，甚至到 2008 2008年，很难找到这样的系统。突破出现在 2008 2008年，东京工业大学的细野秀雄老师 2008 年 2 月份报道了一种材料，里面含有大量的铁，超导临界温度还是很高的，这在当时引起了超导界的极大关注，所以在这里 2008 年 2 月份—— 5 月份，其实是个很疯狂的春天。

我是 2008 年 9 当我去物理研究所攻读博士学位时，老师告诉我，让我们做一些铁基超导。我说铁基超导基本上会完成。我们做什么样的事情？我们专注于这样一种二元化合物——铁硒。

那时我们从三个方面考虑这个问题，那时他们做的是一种铁砷，砷就是砒霜，因为这就是砒霜， As2O5，毒性也很大，所以我们也不想做那个物品。

这个硒 Se 是一个 -2 价格，这里带来了一个最重要的问题，也就是说，这里的铁是 2 价，硒是 -2 价格，那么一般来说，它是一层一层的材料，就像我们翻书一样，它是一页一页的书。这一页和一页之间的力很弱，是电中性的；

第二个考虑因素是，它是一个电中性层。我们能把一些其他的东西放在固定层里，包括一些离子或者一些分子吗？我们能探索出一些新的系统吗？

第三种是从电子浓度来看电子浓度是否足够。一般认为，一种材料中的电子浓度越高，其中的电子浓度就越大。 Tc ( 临界压力 ) 是越高的。

当时考虑到这个系统后，我们利用这种在固层中安装离子的方法，生成了一个新的系统，那就是钾-铁。—— 硒三元系统，这个系统的超导临界温度，能看到也是相当高的，从我的角度来看还是相当高的，其实它只是在 30K 从上到下，这也打破了当时整个铁硒基超导材料的最高温度记录，在常压下。

我们把一个大碱金属-钾离子放在这个固层后，因为钾离子的半径很大，所以很容易留在那里。因为钾和这个层之间有一些相互作用，我们再考虑一下。如果离子半径很小，我可以把它放在固层里吗？

答案是否定的，因为我们花了很多实验来证明。

我们知道锂离子的半径是所有化学元素周期表中最小的。放进去之后很容易跑出去，包括钠离子和其他超小的。

这个时候我们来看看是否可以有一些新的实验方法。我们将锂离子和其他一些有机分子绑在一起，一起使其进入。

最后，通过这种优化的实验方法，我们可以确定，除了钾，我们还可以看到锂、钠、钙。、铷、就像化学元素周期表一样，许多许多元素都可以放在这两个铁硒层固层中，然后把它们放在一起。 Tc 最高扩展已经到来 46K。

46K 还是那个温度，已经超过了当时三位科学家预测的诺贝尔奖的最高温度记录。 39K。

当时这个系统在超导领域也是一个很大的突破。基于对晶体结构的深入思考，经过这么多年的发展，我们终于发展出了铁硒。 FeSe 这类系统，这一系统最重要的一点，它突破了麦克米兰极限的温度，也就是 39K；

其次，这里面的超导机制与超导铁砷完全不同，我们也把它发展成了一个新的超导家族。

上述工作也入选美国物理学会。《Physical Review B》一篇发表50周年里程碑的论文，当选比例约为万分之三，这是中国科学院科学家唯一完成的工作。

基于这份工作，我们正在 2020 今年还获得了“国家自然科学二等奖”。

然后再给大家介绍一个新系统——镍基氧化物系统。

这个故事从何而来？

还是要从铜基上去，刚才说铜基超导体的温度是最高的。 163K，铜基能表现出什么样的物理性质？让我们跟着它走，所以我们找到了与铜在化学元素周期表中相比较的镍。

从这种价格状态和外壳层的电子分布来看，两者非常相似，但在这种情况下， 2004 2000年，美国科学家做了一项理论工作。经过理论计算，他们说镍和铜无论是结构还是类型，电荷排列都非常相同，但内部机制却完全不同。

当时看了这篇文章，做了很多关于镍基的实验，可惜没有成功。从铜基被发现到现在，经过近40年的时间，没有实现镍基超导。

当时我们也考虑了最大的问题之一。可能是什么？这是一种常规的方法。我们想简单地生成它。如果我们想简单地混合它并控制它，我们就不能成功。这种平衡态度无法控制。如果平衡态度不好，我们试着看看是否可以使用一些奇怪的实验方法，这种非平衡态度的方法。

其实不平衡的方法有两种。一种是你生成这种材料后，你应该拉它，你应该轻轻拉它，这样它的电子云就可以重构了。第二种是用力按压，压力很大。按压它会产生上万个大气压的环境，看看是否能产生一些新的物质。

这里出现了一项非常有趣的工作，这就是化学式，正如左上方所示。实际上，这是从 n=1，一直到 2、3 ，一直到无限，这是一个非常复杂的系统。

那时是中山大学的王猛老师，他们专注于中山大学。 n=2，一个 La3Ni2O7 这样的系统，他们也在压力，用高压的方法，把这种压力加到很大程度上，可以看到在很高的温度下，大概是在 78K 这种温度下，其电阻出现了很大的下降，但这项工作在当时出现后，引起了国内外的巨大反响，也就是说，我们终于使用了一种不平衡的方法。中国科学家得到了镍基超导体，但遗憾的是，它的电阻没有达到零。我们刚才说的零电阻是超导所必需的。

我们所做的工作，我们专注于工作。 n=3、三层这样的系统，为什么要做三层？还是来自铜基。右边的红点上说的是三层的时候，铜基超导的时候。 Tc 这是最高的，那么我们就做了一个第三层，我们还要看看加高压后是否有超导。

很有意思的是，在这里，我们确实在高压下看到了超导。这是我和复旦大学的赵俊老师合作的一篇文章，也是北京高压科学中心的曾(桥石)老师。

今年还有一份工作，也来自中国科学院物理学院周睿老师和程金光老师。他们可以进一步增加临界压力，这里的临界压力已经达到。 82.5K，到零电阻的温度也是如此。 60K 上下。

这里，我们和他们的工作都发现了超导的另一个特点，那就是具有良好的抗磁性能。

通过以上三项工作，确实证明了镍基超导，它完全是一种非常有趣的高温超导体。

从上个世纪对超导材料的向往历史来看， 80 时代，直到 2010 2000年左右，铜基超导体和铁基超导体的出现极大地促进了我们中国科学家在超导材料探索领域的国际地位，也实现了中国超导研究。在世界范围内，它从一个跑步慢慢到一个跑步范围。然后，近年来，我们中国科学家发现了这种镍基超导体系。也就是说，我们中国的科学家，在超导探索领域，目前已走在世界前列。

事实上，在 2008 年《Science》一篇社论，他们便表示，新超导研究，是将中国科学家推向世界超导研究，甚至是世界科学研究的前列。