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二维层状超导体中发现三维特征

英国《自然》杂志北京时间1月29日发表了浙江大学物理系教授袁辉球及其合作者的最新研究成果：在具有二维层状晶体结构的铁基超导体中发现超导态的“各向同性”，这是首次在二维层状的超导材料中报道三维的超导特性。

《自然》杂志评审专家认为，这是超导研究领域一项非常独特而重要的发现，将对研究铁基高温超导形成机理具有重要意义。

研制能量传输无损耗的室温超导体，引发一场新的能源革命——这个梦想已支持科学家探索了将近一个世纪。1911年，荷兰物理学家海克·卡曼林·昂尼斯发现把汞冷却到4.2开尔文时（约零下269摄氏度）电阻突然消失，这是人类首次发现超导现象。此后一个世纪中，新的超导材料相继被发现，一波接一波冲击更高的超导临界转变温度，每次发现都推动科学家投身相关的研究热潮。人们熟知的磁悬浮列车和核磁共振成像技术就是超导技术的实际应用。

2008年初，日本科学家宣布发现了一种基于铁砷层面的新型超导材料LaFeAs01-xFx，其超导转变温度高达26开尔文。中国科学家随后通过元素替换，迅速将超导转变温度提高到50开尔文以上，突破了“麦克米兰”极限（麦克米兰曾经断定，传统超导临界温度最高只能达到39开尔文）。浙江大学物理系的相关研究人员在这方面也作出了许多工作。这些新型超导材料的发现正把科学家带入新一轮以铁基超导为焦点的研究热潮。

长期致力于超导和极端条件物性研究的浙江大学长江特聘教授袁辉球在铁基超导材料发现后不久就开始关注这类新型超导材料的奇特物性。作为美国拉斯阿拉莫斯国家强磁场实验室的用户，他成功申请到了该实验室脉冲磁铁的使用时间，于2008年4月开始深入研究铁基超导材料在脉冲强磁场下的物理行为。同时，袁辉球同国内多个样品制备小组开展了紧密合作，与本研究相关的超导材料由科学院物理所王楠林小组提供。

经过数月研究，袁辉球等人发现铁基超导材料钡铁砷在低温的上临界磁场具有“各向同性”的特征，也就是说该材料的超导上临界磁场不依赖于外加磁场的方向，与先前二维层状超导体中所观察到的现象完全不同。

之前基于铜氧化合物高温超导体的二维层状晶体结构，学界普遍认为维度的降低是形成高温超导的必备条件。袁辉球等人的研究则表明，低维的晶体结构可能更有利于高温超导的形成，但它并不是形成高温超导的唯一因素。袁辉球说，铁基超导材料虽然也具有二维层状的晶体结构，但其电子结构可能更接近于三维，铁基高温超导的形成应该与其独特的电子结构有关。

此外，铁基超导材料还表现出许多与重费米子材料相类似的性质，特别是在磁与超导的相互作用方面。袁辉球推测，铁基超导材料可能是连接低温的重费米子超导与高温铜氧化合物超导的一个重要桥梁。他表示，现在还只是发现了一种新的现象，还需要科学家们进一步去弄清机理。

该工作由浙江大学、美国拉斯阿拉莫斯国家实验室以及中国科学院物理所共同完成，浙江大学是第一作者单位。该研究得到了科技部、教育部、中国科学院以及国家自然科学基金的资助。（来源： 新华网 余靖静）
（《自然》（Nature），doi:10.1038/nature07676，H. Q. Yuan，J. Singleton）