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.復旦大學;3.西北大學)

　　高溫超導具有深刻的物理內(nèi)涵和應用前景。我國在世界多個國家對高溫超導研究投入大幅減少的態(tài)勢下持續(xù)支持，使得國內(nèi)該領域研究人才和軟硬件條件等都得到了長足發(fā)展。本報告從高溫超導研究的五個方向，對其國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與趨勢進行了梳理分析，并提出了我國的進一步研究重點與對策建議。

　　一、關(guān)于高溫超導

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

　　高溫超導材料是具有超過麥克米蘭極限超導轉(zhuǎn)變溫度(Tc)的材料，具有深刻的物理內(nèi)涵和廣泛的應用前景。高溫超導體是超導物質(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體。此族類一些化合物中，超導性出現(xiàn)的臨界溫度是已知超導體中最高的。超導現(xiàn)象的大規(guī)模應用強烈依賴于高溫(室溫)超導材料的研究進展。

　　由于高溫超導的機理目前還不清楚，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雜量子材料、發(fā)展最先進的實驗技術(shù)具有重要意義。超導技術(shù)目前已經(jīng)在電力、動力、醫(yī)學、通信、軍事、運輸、粒子加速器等領域有著重要的應用，高溫超導乃至未來的室溫超導一旦取得突破，超導的應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，其意義與半導體材料相當。

　　二、世界發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

　　1. 銅氧化物高溫超導

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

　　目前的實驗主要集中在更精細和定量地探測銅氧化物高溫超導特性，如對其中贗能隙、電荷密度波、強場行為、準粒子自能等的測量。通過超快遠紅外激光驅(qū)動銅氧化物，觀測到瞬時的室溫超導的跡象，但還有待進一步證實。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能隙可能與傳統(tǒng)的d-波超導圖像偏離較大。

　　該方向未來發(fā)展趨勢是對銅氧化物進行更精細全面的測量。在實驗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)鍵的實驗現(xiàn)象。

　　2. 鐵基高溫超導

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

　　經(jīng)過8年多的研究，仍在發(fā)現(xiàn)新的鐵基超導家族，對鐵基超導的物性、各個有序態(tài)、電子結(jié)構(gòu)和自旋微觀行為等有了比較全面的認識。丁洪、周興江組獨立給出了FeAs類鐵基超導的超導能隙結(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)筑了基本的實驗圖像。在理論上，鐵基超導、銅氧化物高溫超導、重費米子超導等得到了統(tǒng)一的認識。基于上述研究，胡江平等已經(jīng)開始設計Ni基、Co基等超導材料。但是鐵基超導中的軌道序/自旋序/結(jié)構(gòu)相變的相互關(guān)系，AxFe2Se2類的鐵基超導的機理等仍然沒有得到最終的認識。

　　未來將進一步開展對鐵基超導的材料、物性和機理研究，并嘗試對其物性進行調(diào)控，進一步提高Tc，獲得更加完備的實驗圖像。進一步完善理論，全面地解釋關(guān)鍵現(xiàn)象。

　　3. 高壓下的高溫BCS超導

　　Ashcroft在半個世紀前預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，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算的啟發(fā)下，率先將H2S加到150GPa高壓，獲得Tc為203K的超導，這與崔田等預言的H3S相一致，是迄今最高溫度的超導。

　　2017年初，美國哈佛大學的Issac Silvera研究組報導在495 GPa下實現(xiàn)了金屬氫。目前其超導特性尚未測量，結(jié)果令人期待。

　　在這些實驗結(jié)果的激勵下，科學家們預言了眾多的含氫高壓超導相，預期將有更多的體系被發(fā)現(xiàn)。從微觀機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，需要進一步的實驗數(shù)據(jù)來確認。未來應該有更多這些體系的研究。

　　4. 界面高溫超導

　　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)了超導行為，在銅氧化物界面處發(fā)現(xiàn)了具有高溫超導電性的界面超導。

　　我國薛其坤團隊在2012年發(fā)現(xiàn)單層FeSe/SrTiO3界面增強的高溫超導電性，超導能隙比FeSe體材料有近一個數(shù)量級的增強。

　　中科院物理所周興江、復旦大學封東來、清華大學王亞愚、北京大學王健等研究組對該體系的電子結(jié)構(gòu)、摻雜機理、輸運性質(zhì)等進行了系統(tǒng)的研究，分別證明該體系的超導轉(zhuǎn)變發(fā)生在65K。封東來研究組在FeSe/BaTiO3/KTaO3異質(zhì)結(jié)中實現(xiàn)能隙閉合溫度達到了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，這是鐵基超導目前達到的最高紀錄。

　　在機理研究方面，發(fā)現(xiàn)單層FeSe具有類似普通超導體的簡單s波對稱，具有很強的界面電聲子相互作用，同時其Tc與電聲子作用均隨著遠離界面而衰減，預示這種體系具有獨特的界面超導增強機制。這些研究開拓了國際高溫超導的新的研究方向，被譽為是過去五年國際鐵基超導研究最重要的發(fā)現(xiàn)和“超導研究的新前沿”。

　　人們在理論上曾經(jīng)預言電子摻雜的Sr2IrO4與空穴摻雜的銅氧化物高溫超導類似，也具有超導電性。封東來研究組和德國馬普所B.J. Kim研究組，獨立發(fā)現(xiàn)通過表面摻雜的Sr2IrO4有類超導能隙的結(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。這預示著Sr2IrO4可能是繼銅基和鐵基超導之后的新一類高溫超導材料。

　　這些研究結(jié)果對研究體材料的高溫超導機理也具有重要的指導作用。未來將會繼續(xù)發(fā)展原位測量技術(shù)，探索這些體系超導機理和界面增強的機理，通過界面工程進一步提升Tc，構(gòu)筑新的界面高溫超導。

　　5. 重費米子超導等非常規(guī)超導

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

　　主要發(fā)達國家已在重費米子研究領域投入了相當多的人力和財力。英國劍橋大學的量子物質(zhì)實驗室長期致力于重費米子研究，發(fā)現(xiàn)超導出現(xiàn)在磁性量子臨界點附近。德國馬普所一直引領重費米子超導、量子相變以及熱電性質(zhì)等方面的研究，近期特別關(guān)注重費米子體系中的莫特物理。美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室，在CeTIn5和PuTIn5的系列研究中將重費米子超導與高溫超導緊密聯(lián)系在一起。羅格斯大學最近預言了拓撲近藤絕緣體的存在。東京大學最近在混價化合物b-YbAlB4中發(fā)現(xiàn)超導，并且遠離磁性量子臨界點。奧地利維也納工業(yè)大學首次發(fā)現(xiàn)非中心對稱重費米子超導。

　　重費米子體系豐富的相圖、超導、可調(diào)控物性與量子相變是人們關(guān)注的熱點，目前已經(jīng)積累了大量的實驗數(shù)據(jù)，理論上也有很大的發(fā)展。但是重費米子超導的序參量以及決定重費米子超導的關(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)測量手段的廣泛應用，重費米子超導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，世界上多個國家對高溫超導(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)超導領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時，我國僅有少數(shù)研究組做出了一些亮點。研究鐵基超導時，我國的實力厚積薄發(fā),在材料、物性和機理研究中全面顯現(xiàn)出來。《科學》雜志因此發(fā)表題為“鐵基超導把中國科學家推到前沿”的社論。FeSe/SrTiO3界面高溫超導電性的研究工作是完全由中國科學家引領的一個重要研究方向。

　　我國科學家已經(jīng)開始預言新的超導體系。吉林大學崔田研究組正確預言了高壓H2S超導實為H3S，計算出其結(jié)構(gòu)和Tc，并被實驗證實。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，是第一個基于Mn、Cr的非常規(guī)超導。

　　近年來，隨著實驗條件和方法的不斷改善以及一批優(yōu)秀人才相繼回國，起步較晚的重費米子超導研究方向，我國也迎來了發(fā)展機遇。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。著名重費米子材料專家Z. Fisk教授指出，國際重費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、中科院物理所、中國工程物理研究院和復旦大學均是國內(nèi)重費米子的主要研究基地。

　　我國居領先地位的機構(gòu)有中科院物理所、中國科技大學、復旦大學、清華大學、南京大學、浙江大學等單位，北京大學量子材料中心也積聚了一大批優(yōu)秀的青年科學家。中科院物理所、復旦大學、北京大學具有齊備的實驗手段，中國科技大學、浙江大學的材料研究實力較強。

　　四、進一步研究重點及措施建議

　　由于高溫超導理論還沒有很好的建立，相關(guān)方面的研究進展相當緩慢。雖然新的具有更高超導溫度的超導體時有報道，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，建議進一步的研究重點如下：

　　1. 界面超導研究。我國在此領域做出了引領性的工作，有望進一步在其機理研究取得突破，并提高Tc。

　　2. 拓撲超導研究。這是一個新的關(guān)鍵領域，與Majorana費米子和量子計算密切相關(guān)。

　　3. 進一步進行鐵基超導、銅氧化物高溫超導、重費米子超導中的判定性實驗，為全面理解這些重要的非常規(guī)超導體系做出關(guān)鍵貢獻。

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

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

　　6. 發(fā)展超導理論與強關(guān)聯(lián)體系的新計算方法，解釋現(xiàn)象和預言新的體系。

　　為有效開展相關(guān)研究，建議一方面進一步加大對我國已具引領地位的方向的投入，以擴大影響;另一方面堅持長期持續(xù)支持原創(chuàng)研究，特別是對青年科學家的資助;同時，應加大對各研究組的先進設備，以及大科學裝置公共平臺的投入。

　　本報告為科技創(chuàng)新戰(zhàn)略研究專項項目“重點科技領域發(fā)展熱點跟蹤研究”(編號：ZLY2015072)研究成果之一。

　　本文特約編輯：姜念云