于笑瀟1，資劍2，吳根1，楊濤3

　　(1.科技部高技術(shù)研究發(fā)展中心;2.復(fù)旦大學(xué);3.西北大學(xué))

　　高溫超導(dǎo)具有深刻的物理內(nèi)涵和應(yīng)用前景。我國在世界多個(gè)國家對高溫超導(dǎo)研究投入大幅減少的態(tài)勢下持續(xù)支持，使得國內(nèi)該領(lǐng)域研究人才和軟硬件條件等都得到了長足發(fā)展。本報(bào)告從高溫超導(dǎo)研究的五個(gè)方向，對其國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與趨勢進(jìn)行了梳理分析，并提出了我國的進(jìn)一步研究重點(diǎn)與對策建議。

　　一、關(guān)于高溫超導(dǎo)

　　自1911年發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象，人們就被其零電阻、反磁性和量子隧道效應(yīng)的奇特性質(zhì)所吸引。但在此后長達(dá)75年的時(shí)間里所有已發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)體都只在極低的溫度(23K)下才顯示超導(dǎo)，使它們的應(yīng)用受到了極大的限制。

　　高溫超導(dǎo)材料是具有超過麥克米蘭極限超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度(Tc)的材料，具有深刻的物理內(nèi)涵和廣泛的應(yīng)用前景。高溫超導(dǎo)體是超導(dǎo)物質(zhì)中的一種族類，具有一般的結(jié)構(gòu)特征以及相對上適度間隔的銅氧化物平面，被稱作銅氧化物超導(dǎo)體。此族類一些化合物中，超導(dǎo)性出現(xiàn)的臨界溫度是已知超導(dǎo)體中最高的。超導(dǎo)現(xiàn)象的大規(guī)模應(yīng)用強(qiáng)烈依賴于高溫(室溫)超導(dǎo)材料的研究進(jìn)展。

　　由于高溫超導(dǎo)的機(jī)理目前還不清楚，因此在這方面開展深入研究對于理解具有多體相互作用的復(fù)雜量子材料、發(fā)展最先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)具有重要意義。超導(dǎo)技術(shù)目前已經(jīng)在電力、動(dòng)力、醫(yī)學(xué)、通信、軍事、運(yùn)輸、粒子加速器等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用，高溫超導(dǎo)乃至未來的室溫超導(dǎo)一旦取得突破，超導(dǎo)的應(yīng)用難度和成本將極大降低，將對人類的文明產(chǎn)生難以想象的影響，其意義與半導(dǎo)體材料相當(dāng)。

　　二、世界發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

　　1. 銅氧化物高溫超導(dǎo)

　　美國和日本是銅氧化物高溫超導(dǎo)基礎(chǔ)研究的傳統(tǒng)強(qiáng)國。經(jīng)過30年的研究，基本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較完備，多個(gè)理論并存，包括基于電聲子相互作用的機(jī)理和基于自旋漲落的機(jī)理。雖然種種實(shí)驗(yàn)證據(jù)逐步收斂到證明基于自旋漲落的機(jī)理，但是仍然缺少判定性的實(shí)驗(yàn)來區(qū)分理論。

　　目前的實(shí)驗(yàn)主要集中在更精細(xì)和定量地探測銅氧化物高溫超導(dǎo)特性，如對其中贗能隙、電荷密度波、強(qiáng)場行為、準(zhǔn)粒子自能等的測量。通過超快遠(yuǎn)紅外激光驅(qū)動(dòng)銅氧化物，觀測到瞬時(shí)的室溫超導(dǎo)的跡象，但還有待進(jìn)一步證實(shí)。最近，我國薛其坤、封東來等研究組還指出銅氧化物高溫超導(dǎo)能隙可能與傳統(tǒng)的d-波超導(dǎo)圖像偏離較大。

　　該方向未來發(fā)展趨勢是對銅氧化物進(jìn)行更精細(xì)全面的測量。在實(shí)驗(yàn)上可能通過更直接的測量取得顛覆性的結(jié)果。在理論上將使其完善，能夠全面解釋關(guān)鍵的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

　　2. 鐵基高溫超導(dǎo)

　　日本Hosono研究組于2008年發(fā)現(xiàn)基于FeAs面的鐵基高溫超導(dǎo)，吸引了全世界眾多科學(xué)家投入該領(lǐng)域，發(fā)現(xiàn)了多個(gè)鐵基超導(dǎo)的家族。陳仙輝、王楠林等研究組，率先獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了超過麥克米蘭極限(～40K)的常壓下的鐵基超導(dǎo);趙忠賢組創(chuàng)造了鐵基超導(dǎo)體材料56K的Tc記錄;陳小龍、方明虎兩個(gè)研究組，獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了AxFe2Se2類的鐵基超導(dǎo)，封東來等發(fā)現(xiàn)此類超導(dǎo)與基于FeAs面的鐵基超導(dǎo)有不同的電子結(jié)構(gòu)和無節(jié)點(diǎn)的超導(dǎo)能隙，挑戰(zhàn)了之前建立的鐵基超導(dǎo)配對圖像。

　　經(jīng)過8年多的研究，仍在發(fā)現(xiàn)新的鐵基超導(dǎo)家族，對鐵基超導(dǎo)的物性、各個(gè)有序態(tài)、電子結(jié)構(gòu)和自旋微觀行為等有了比較全面的認(rèn)識。丁洪、周興江組獨(dú)立給出了FeAs類鐵基超導(dǎo)的超導(dǎo)能隙結(jié)構(gòu);戴鵬程、鮑威等給出磁結(jié)構(gòu)與自旋漲落的信息，構(gòu)筑了基本的實(shí)驗(yàn)圖像。在理論上，鐵基超導(dǎo)、銅氧化物高溫超導(dǎo)、重費(fèi)米子超導(dǎo)等得到了統(tǒng)一的認(rèn)識?；谏鲜鲅芯浚降纫呀?jīng)開始設(shè)計(jì)Ni基、Co基等超導(dǎo)材料。但是鐵基超導(dǎo)中的軌道序/自旋序/結(jié)構(gòu)相變的相互關(guān)系，AxFe2Se2類的鐵基超導(dǎo)的機(jī)理等仍然沒有得到最終的認(rèn)識。

　　未來將進(jìn)一步開展對鐵基超導(dǎo)的材料、物性和機(jī)理研究，并嘗試對其物性進(jìn)行調(diào)控，進(jìn)一步提高Tc，獲得更加完備的實(shí)驗(yàn)圖像。進(jìn)一步完善理論，全面地解釋關(guān)鍵現(xiàn)象。

　　3. 高壓下的高溫BCS超導(dǎo)

　　Ashcroft在半個(gè)世紀(jì)前預(yù)言氫在高壓下會成為金屬，并且是Tc高于室溫的BCS(電-聲子相互作用)超導(dǎo)，自此金屬氫成為高壓物理界的圣杯。

　　2015年Mikhail Eremets研究組在馬琰銘等理論計(jì)算的啟發(fā)下，率先將H2S加到150GPa高壓，獲得Tc為203K的超導(dǎo)，這與崔田等預(yù)言的H3S相一致，是迄今最高溫度的超導(dǎo)。

　　2017年初，美國哈佛大學(xué)的Issac Silvera研究組報(bào)導(dǎo)在495 GPa下實(shí)現(xiàn)了金屬氫。目前其超導(dǎo)特性尚未測量，結(jié)果令人期待。

　　在這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果的激勵(lì)下，科學(xué)家們預(yù)言了眾多的含氫高壓超導(dǎo)相，預(yù)期將有更多的體系被發(fā)現(xiàn)。從微觀機(jī)理和物性的角度對這些體系的研究非常具有挑戰(zhàn)性。理論上它們可能是在高聲子頻率下的BCS超導(dǎo)，需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來確認(rèn)。未來應(yīng)該有更多這些體系的研究。

　　4. 界面高溫超導(dǎo)

　　得益于近20年來薄膜生長技術(shù)的快速發(fā)展，在氧化物的界面處發(fā)現(xiàn)了多種新奇的物性。在兩種絕緣體LAO/STO的界面發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)行為，在銅氧化物界面處發(fā)現(xiàn)了具有高溫超導(dǎo)電性的界面超導(dǎo)。

　　我國薛其坤團(tuán)隊(duì)在2012年發(fā)現(xiàn)單層FeSe/SrTiO3界面增強(qiáng)的高溫超導(dǎo)電性，超導(dǎo)能隙比FeSe體材料有近一個(gè)數(shù)量級的增強(qiáng)。

　　中科院物理所周興江、復(fù)旦大學(xué)封東來、清華大學(xué)王亞愚、北京大學(xué)王健等研究組對該體系的電子結(jié)構(gòu)、摻雜機(jī)理、輸運(yùn)性質(zhì)等進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，分別證明該體系的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變發(fā)生在65K。封東來研究組在FeSe/BaTiO3/KTaO3異質(zhì)結(jié)中實(shí)現(xiàn)能隙閉合溫度達(dá)到了75K。

　　上海交大賈金鋒研究組用原位四探針測量在FeSe/SrTiO3得到超過100K的Tc，這是鐵基超導(dǎo)目前達(dá)到的最高紀(jì)錄。

　　在機(jī)理研究方面，發(fā)現(xiàn)單層FeSe具有類似普通超導(dǎo)體的簡單s波對稱，具有很強(qiáng)的界面電聲子相互作用，同時(shí)其Tc與電聲子作用均隨著遠(yuǎn)離界面而衰減，預(yù)示這種體系具有獨(dú)特的界面超導(dǎo)增強(qiáng)機(jī)制。這些研究開拓了國際高溫超導(dǎo)的新的研究方向，被譽(yù)為是過去五年國際鐵基超導(dǎo)研究最重要的發(fā)現(xiàn)和“超導(dǎo)研究的新前沿”。

　　人們在理論上曾經(jīng)預(yù)言電子摻雜的Sr2IrO4與空穴摻雜的銅氧化物高溫超導(dǎo)類似，也具有超導(dǎo)電性。封東來研究組和德國馬普所B.J. Kim研究組，獨(dú)立發(fā)現(xiàn)通過表面摻雜的Sr2IrO4有類超導(dǎo)能隙的結(jié)構(gòu)，其閉合溫度約為50K，電子結(jié)構(gòu)演化和銅氧化物極為相似。這預(yù)示著Sr2IrO4可能是繼銅基和鐵基超導(dǎo)之后的新一類高溫超導(dǎo)材料。

　　這些研究結(jié)果對研究體材料的高溫超導(dǎo)機(jī)理也具有重要的指導(dǎo)作用。未來將會繼續(xù)發(fā)展原位測量技術(shù)，探索這些體系超導(dǎo)機(jī)理和界面增強(qiáng)的機(jī)理，通過界面工程進(jìn)一步提升Tc，構(gòu)筑新的界面高溫超導(dǎo)。

　　5. 重費(fèi)米子超導(dǎo)等非常規(guī)超導(dǎo)

　　重費(fèi)米子超導(dǎo)Tc絕對值并不高(最高紀(jì)錄為18K)，但是相對于它較低的特征能量尺度，理論上可以被認(rèn)為是高溫超導(dǎo)。不同于鐵基或銅基高溫超導(dǎo)體，重費(fèi)米子超導(dǎo)可通過電子自旋、軌道和價(jià)位等自由度的量子漲落產(chǎn)生配對，超導(dǎo)通常出現(xiàn)在量子臨界點(diǎn)附近，亦可遠(yuǎn)離磁性量子臨界點(diǎn)。先前人們普遍認(rèn)為重費(fèi)米子超導(dǎo)為d-波或p-波超導(dǎo)，最近在一些材料中發(fā)現(xiàn)了s-波超導(dǎo)的特征，可見重費(fèi)米子的超導(dǎo)電性非常復(fù)雜。

　　主要發(fā)達(dá)國家已在重費(fèi)米子研究領(lǐng)域投入了相當(dāng)多的人力和財(cái)力。英國劍橋大學(xué)的量子物質(zhì)實(shí)驗(yàn)室長期致力于重費(fèi)米子研究，發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)出現(xiàn)在磁性量子臨界點(diǎn)附近。德國馬普所一直引領(lǐng)重費(fèi)米子超導(dǎo)、量子相變以及熱電性質(zhì)等方面的研究，近期特別關(guān)注重費(fèi)米子體系中的莫特物理。美國洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室，在CeTIn5和PuTIn5的系列研究中將重費(fèi)米子超導(dǎo)與高溫超導(dǎo)緊密聯(lián)系在一起。羅格斯大學(xué)最近預(yù)言了拓?fù)浣俳^緣體的存在。東京大學(xué)最近在混價(jià)化合物b-YbAlB4中發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)，并且遠(yuǎn)離磁性量子臨界點(diǎn)。奧地利維也納工業(yè)大學(xué)首次發(fā)現(xiàn)非中心對稱重費(fèi)米子超導(dǎo)。

　　重費(fèi)米子體系豐富的相圖、超導(dǎo)、可調(diào)控物性與量子相變是人們關(guān)注的熱點(diǎn)，目前已經(jīng)積累了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，理論上也有很大的發(fā)展。但是重費(fèi)米子超導(dǎo)的序參量以及決定重費(fèi)米子超導(dǎo)的關(guān)鍵因素尚不明確，量子相變的微觀行為也有待測量。

　　未來，隨著容易獲得更多的強(qiáng)場高壓等極端條件，中子散射、光電子能譜和掃瞄隧道顯微譜等各種微觀性質(zhì)測量手段的廣泛應(yīng)用，重費(fèi)米子超導(dǎo)的研究有望取得突破。

　　三、我國發(fā)展現(xiàn)狀與水平

　　2000年以后，世界上多個(gè)國家對高溫超導(dǎo)(主要是銅氧化物)的投入大幅減少，我國持續(xù)支持，使得國內(nèi)超導(dǎo)領(lǐng)域的人才和軟硬件都得到了長足發(fā)展。

　　研究銅氧化物高溫超導(dǎo)時(shí)，我國僅有少數(shù)研究組做出了一些亮點(diǎn)。研究鐵基超導(dǎo)時(shí)，我國的實(shí)力厚積薄發(fā),在材料、物性和機(jī)理研究中全面顯現(xiàn)出來?！犊茖W(xué)》雜志因此發(fā)表題為“鐵基超導(dǎo)把中國科學(xué)家推到前沿”的社論。FeSe/SrTiO3界面高溫超導(dǎo)電性的研究工作是完全由中國科學(xué)家引領(lǐng)的一個(gè)重要研究方向。

　　我國科學(xué)家已經(jīng)開始預(yù)言新的超導(dǎo)體系。吉林大學(xué)崔田研究組正確預(yù)言了高壓H2S超導(dǎo)實(shí)為H3S，計(jì)算出其結(jié)構(gòu)和Tc，并被實(shí)驗(yàn)證實(shí)。中科院物理所的雒建林研究組最近發(fā)現(xiàn)了MnP、CrAs在加壓下超導(dǎo)，是第一個(gè)基于Mn、Cr的非常規(guī)超導(dǎo)。

　　近年來，隨著實(shí)驗(yàn)條件和方法的不斷改善以及一批優(yōu)秀人才相繼回國，起步較晚的重費(fèi)米子超導(dǎo)研究方向，我國也迎來了發(fā)展機(jī)遇。國內(nèi)已有多家科研院所開展相關(guān)研究，并做出了一些重要工作。著名重費(fèi)米子材料專家Z. Fisk教授指出，國際重費(fèi)米子研究的版圖正在發(fā)生深刻變化，中國將成為一支重要的新生力量。目前浙江大學(xué)、中科院物理所、中國工程物理研究院和復(fù)旦大學(xué)均是國內(nèi)重費(fèi)米子的主要研究基地。

　　我國居領(lǐng)先地位的機(jī)構(gòu)有中科院物理所、中國科技大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、清華大學(xué)、南京大學(xué)、浙江大學(xué)等單位，北京大學(xué)量子材料中心也積聚了一大批優(yōu)秀的青年科學(xué)家。中科院物理所、復(fù)旦大學(xué)、北京大學(xué)具有齊備的實(shí)驗(yàn)手段，中國科技大學(xué)、浙江大學(xué)的材料研究實(shí)力較強(qiáng)。

　　四、進(jìn)一步研究重點(diǎn)及措施建議

　　由于高溫超導(dǎo)理論還沒有很好的建立，相關(guān)方面的研究進(jìn)展相當(dāng)緩慢。雖然新的具有更高超導(dǎo)溫度的超導(dǎo)體時(shí)有報(bào)道，但還沒有取得真正的理論突破。結(jié)合我國現(xiàn)有研究基礎(chǔ)，建議進(jìn)一步的研究重點(diǎn)如下：

　　1. 界面超導(dǎo)研究。我國在此領(lǐng)域做出了引領(lǐng)性的工作，有望進(jìn)一步在其機(jī)理研究取得突破，并提高Tc。

　　2. 拓?fù)涑瑢?dǎo)研究。這是一個(gè)新的關(guān)鍵領(lǐng)域，與Majorana費(fèi)米子和量子計(jì)算密切相關(guān)。

　　3. 進(jìn)一步進(jìn)行鐵基超導(dǎo)、銅氧化物高溫超導(dǎo)、重費(fèi)米子超導(dǎo)中的判定性實(shí)驗(yàn)，為全面理解這些重要的非常規(guī)超導(dǎo)體系做出關(guān)鍵貢獻(xiàn)。

　　4. 繼續(xù)擴(kuò)大我國在新材料探索方面的優(yōu)勢，包括高壓下的新超導(dǎo)探索，發(fā)現(xiàn)全新的超導(dǎo)體。特別關(guān)注過渡金屬化合物、稀土化合物、含氫材料和有機(jī)材料中超導(dǎo)電性的研究。

　　5. 利用我國新建的強(qiáng)磁場、同步輻射、自由電子激光、中子源等一批大科學(xué)裝置進(jìn)行超導(dǎo)研究，揭示極端條件下的物性與微觀行為。

　　6. 發(fā)展超導(dǎo)理論與強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系的新計(jì)算方法，解釋現(xiàn)象和預(yù)言新的體系。

　　為有效開展相關(guān)研究，建議一方面進(jìn)一步加大對我國已具引領(lǐng)地位的方向的投入，以擴(kuò)大影響;另一方面堅(jiān)持長期持續(xù)支持原創(chuàng)研究，特別是對青年科學(xué)家的資助;同時(shí)，應(yīng)加大對各研究組的先進(jìn)設(shè)備，以及大科學(xué)裝置公共平臺的投入。

　　本報(bào)告為科技創(chuàng)新戰(zhàn)略研究專項(xiàng)項(xiàng)目“重點(diǎn)科技領(lǐng)域發(fā)展熱點(diǎn)跟蹤研究”(編號：ZLY2015072)研究成果之一。

　　本文特約編輯：姜念云