闻海虎，南京大学超导物理和材料研究中心主任/教授，博士生导师，国家杰出青年基金获得者，长江特聘教授，美国物理学会会士。长期从事超导材料和物理性质研究，在高温超导体磁通动力学、高温超导机理问题和非常规超导材料合成和物理性质研究方面获得一批重要成果。科技部目标导向性超导973项目“高温超导材料和物理研究”首席科学家（2010－2015），国家重点研发计划－量子调控项目子项目负责人（2016－2020）。
新年刚刚开始，中国超导界就迎来了喜讯。中国科学院物理研究所研究员、中国科学院院士赵忠贤以其在钇钡铜氧的发现和铁基超导体等方面的突出贡献获得了国家科技成就奖。赵忠贤院士获奖是对他几十年来在高温超导体研究中孜孜以求、不断求索的认可，是实至名归。
图1 超导体的转变温度随被发现的时间的关系
铁基超导体研究的突破发生在2008年2 月末，日本东京工业学院Hosono 研究组发现在母体材料LaFeAsO 中掺杂F元素可以实现26 K 的超导电性。铁基超导材料的母体材料可以追溯到1974 年美国杜邦公司的Jeitschko 等在寻找新功能材料中的工作，随后一个德国的研究组合成了系列的具有同样ZrCuSiAs结构的新材料。这些新材料被取名为四元磷氧化物LnOMPn（Ln=La, Ce, Pr,Nd, Sm, Eu 和Gd；M=Mn, Fe, Co 和Ni；Pn=P 和As）。这个体系具有四方的层状结构，在c方向上以-(LnO)2-(MP)2-(LnO)2-形式交替堆砌，因而一个单胞中有两个分子LnOMP。对于母体材料而言，层和层之间电荷是平衡的，比如(LnO) 1 和(MP)- 1 的电荷是平衡的。由于四元磷氧化物LnOMPn 中的一些材料在低温下是超导体，因此这个体系构建了铜氧化物以外的另一个层状超导体家族。Hosono 研究组还发现LaFeAsO1- xFx(x=0.05~0.12) 具有26 K的转变温度后，新的一轮寻找高温超导材料的浪潮再次到来。在短短的一年中，科学家们已经发现了7 种典型结构，分别被称为11（FeSe），111（LiFeAs,NaFeAs），122（(Ba, Sr, Ca)Fe2As2），1111（REFeAsO，RE=稀土元素），32522（Sr3Sc2O5Fe2As2），42622（Sr4V2O6Fe2As2），和43822（Ca4Mg3O8Fe2As2） 。在这次全球超导研究者对铁基超导体的竞争当中，中国科学家因为有长期的积累和思考，才能够迅速反应，做出了一大批重要的工作，发现和合成了一些重要的超导体系，在国际学术界引起极大的反响。目前，以可重复的迈斯纳效应为判据，最高的超导转变温度发生在REFeAsO1-xF x（RE=稀土元素）中，在55~58K。图2 是铁基超导体与铜氧化物超导体的电阻随温度变化的曲线。铁基超导体具有接近三维、高上临界磁场和高不可逆磁场的性质，因此在未来的强磁场应用中有很大潜力。
图2 两种高温超导体的电阻随温度转变的曲线
人们逐渐认识到，在一些新型的超导体中，如铜氧化物超导体和铁基超导体中，其电子配对方式超出原来解释超导图像的基本理论（BCS 理论）的范畴，电子配对也许不再是通过电子-声子耦合，而正常态也偏离建立该理论的基本框架，即基于朗道-费米液体理论和能带论。在解释这些新现象的时候，人们或多或少要考虑电子关联效应的作用。BCS 理论在1972 年获得了诺贝尔物理学奖，目前开展的非常规超导机理研究完全可能大大修改，甚至是完全颠覆的物理图像。因此超导研究无论是在新材料还是机理方面都面临重大突破。铜氧化物和铁基高温超导体的发现，不仅仅带来了新的高温超导家族，重要的是它们所反映出来的电子配对和凝聚方式不同于原来的BCS 理论所预言的方式，因此给超导传统理论带来挑战。这种非电声子作用导致的超导机制被称为非常规超导机理。对非常规超导机理的研究正方兴未艾，很多新奇的物理现象呈现在人们面前，因此21 世纪的上半叶是高温超导研究的黄金时间段。
综上所述，我们可以大胆预言：1）室温超导体也许会被发现，因为根据对强关联电子系统超导电性的理解，室温超导的实现没有理论上的障碍；2）超导能够带来大规模的在液氮温区，甚至是更高温区间的应用，因为铜氧化物超导体，如钇钡铜氧超导带材正逐渐成熟，而具有很好应用潜力的铁基超导体的导线制备正向千米级迈进；3）经过过去30 年对高温超导机制的理解，已经有很多共识，高温超导机理问题面临全面突破，这将是1957 年BCS 理论之后，对超导理论方面的又一重大突破。（责任编辑 王丽娜）
作者简介：闻海虎，南京大学，南京大学物理学院，固体微结构国家重点实验室，超导物理和材料研究中心主任/教授。
注：本文发表在2017年第4期《科技导报》，欢迎关注。
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