在奥运竞技场上，运动员打破纪录被称为“突破”；在第二次世界大战中，美英联军在德国人精心构筑的诺曼底防线登陆，也被称为“突破”；还有一种“突破”则在科学研究中，那就是做前人或者很多人想做却没能做成的事情。中国科学家在超导方面的工作是其中之一。正因此，《科学》杂志于今年4月25日，在《凝聚态物理》专栏中以《新超导将中国物理学家推到最前沿》为题，就中国物理学家在铁基新超导研究方面的重要贡献发表评述：在2月18日，日本科学家发表FeAs化合物26K超导结果之后，中科院物理所王楠林小组和闻海虎小组先后在一周内发布实验结果证实了这一事实；3月25日和3月26日，中国科学技术大学陈仙辉组和物理所王楠林组分别独立发现超过40K的超导体，突破麦克米兰极限。

　　经典理论无法解释

　　陈仙辉介绍，描述超导体的标准理论是BCS理论，根据这个理论，存在所谓的“麦克米兰极限”，即超导最高的转变温度为39K。

　　BCS理论是解释常规超导体的超导电性的微观理论。该理论以其发明者——3位美国科学家J.Bardeen、L.V.Cooper和J.R.Schrieffer的名字命名。超导现象于1911年发现，但直到1957年，J.Bardeen、L.V.Cooper和J.R.Schrieffer提出BCS理论，其微观机理才得到一个令人满意的解释。这一理论把超导现象看作一种宏观量子效应。它提出，金属中自旋和动量相反的电子可以配对形成所谓的“Cooper对”，Cooper对在晶格当中可以无损耗地运动，形成超导电流。

　　电子间的直接相互作用是相互排斥的库仑力。如果仅仅存在库仑直接作用的话，电子不能形成配对。但电子间还存在以晶格振动（声子）为媒介的间接相互作用。电子间的这种相互作用是相互吸引的，正是这种吸引作用导致了Cooper对的产生。其机理是：电子在晶格中移动时会吸引邻近格点上的正电荷，导致格点的局部畸变，形成一个局域的高正电荷区。这个局域的高正电荷区会吸引自旋相反的电子，和原来的电子以一定的结合能相结合配对。在很低的温度下，这个结合能可能高于晶格原子振动的能量，这样，电子对将不会和晶格发生能量交换，也就没有电阻，形成所谓“超导”。

　　J.Bardeen、L.V.Cooper和J.R.Schrieffer因提出超导电性的BCS理论而获得1972年的诺贝尔物理学奖。

　　然而，有关研究表明，陈仙辉等制备出的用Sm替代La后发现SmO1-xFxFeAs体系表现的高温超导电性，明显不符合BCS理论。不管他们是如何实现的，以实现室温超导体为终极目标的竞赛正在进行中。

　　受日本科学家启发但不是重复

　　当陈仙辉小组的论文发表后，有人问：“你们是不是在重复日本人的工作？”

　　陈仙辉说：“我们的工作受到了日本人的启发，但绝对不是重复。”

　　他介绍，在超导体发现后的80年间，超导现象出现的最高温度一直在20K左右。高温铜氧化合物的最高超导温度达到了135K，一度给人们带来了巨大的惊喜，但是经过20多年深入研究，其机理仍未解决。因此，除铜氧化合物外的第二类高温超导体——新的层状铁基磷族化合物——被发现，这无疑对高温超导电性机理的理解是非常有意义的。在这个新的系列化合物超导体中，日本科学家通过氟对氧的部分取代发现了La[O1-xFx]FeAs超导体，其超导转变温度为26K，这个温度低于麦克米兰极限(39K)，因此，并不能说明这类超导体为高温超导体。在了解到日本科学家的工作后，陈仙辉在不同的场合与同行们谈值：如这类材料的超导转变温度不能超过40K的话，将不会有很大的意义。

　　他们率领科研团队积极开展工作。很幸运：陈仙辉小组发现的Sm化合物的超导体SmFeAsO1-xFx (x=0.15)，其转变温度在常压下可以达到43K，证明了这类超导体是除铜氧化合物高温超导体外的又一高温超导体家族。这类超导体是由铁砷层和钐氧层交替堆砌而成，并且当20%的氧离子被氟离子取代后，超导转变温度达到50多开尔文。在Fe2As2层中，铁离子被砷离子形成的四面体包围，且被认为是电流无阻流过的通道。

　　陈仙辉小组用Sm替代La后，发现SmO1-xFxFeAs的超导临界温度比日本实验组所报道的材料高了将近20K。他认为，小的离子半径会导致FeAs中的化学压力，这将会进一步提高超导临界温度。在更加深入的研究中，更新的超导体很有可能被发现。

　　24个小时之内写出论文

　　3月24日，实验室学生打电话给办公室的陈仙辉。学生告诉他，他们的电阻测量观察到了40K超导转变现象。他立刻意识到，这是一个重要进展，当即来到实验室与他的学生们一起工作，利用学校的一切资源证明观察到的现象是可重复的和本征的。在确定超导转变温度高于40K后，他们开始分析数据和论文的写作。这篇题为Superconductivity at 43 K in Samarium-arsenide Oxides SmFeAsO1-xFx的论文，在第二天，即3月25日就投到了《自然》。

　　带有硕士和博士研究生的陈仙辉，之所以紧张地亲自动手写出论文、抓紧时间投稿有3个原因。

　　第一，根据他的了解，国际上关于超导研究，表面看来进展缓慢，但竞争十分激烈，几乎每周都有新的论文发表，每天至少有几篇文章贴在网上。大家都十分关注研究进展，因为一旦突破，应用前景将很快显现。

　　第二，实验室曾经在研究一种材料BaFe2As2（结构为一个晶体单胞两层FeAs面）时，实验室的发现实际上比德国科学家早，但为了获得超导电性，一直没有报道。虽然制备材料的思路和方法以及材料的组分都一模一样，但由于在制备过程中，烧结的温度没把握好，没有成功获得超导电性，论文也就没有及时写出来，失去了机会。当看到德国人发表的论文后，他“郁闷了很长一段时间”。

　　第三，受合肥地域的限制，实验室曾想做一种新材料，所需要的一种元素在合肥无法购买，他们就从上海订购，但这种元素没有及时到货，耽误了两周时间，论文再次推后写作。而当实验室做完实验，其他国家已经发表了文章，又失去了一次机会。

　　这次，陈仙辉和他的团队把握住了先机。

　　如今，陈仙辉总是催学生尽快完成实验。他说：“一个好的想法，如果不能尽快实现，等于没有。”

　　他最后说：“我们的研究工作显然得到了国际同行的广泛关注，表明中国人有能力参与这样的国际竞争。”
 

《科学时报》 (2008-9-17 热烈祝贺中国科学技术大学建校50周年) 作者：王静