紧到会箍死痛造就趣味。

——林若宁词；尚雯婕曲《紧箍咒》

“唐僧骑马的女人们咚里个咚后面跟着个孙悟空；孙悟空，跑得快后面跟着个猪八戒；猪八戒，鼻子長后面跟着个沙和尚；沙和尚，挑着锣后面跟着个老妖婆……” 不知你是否还记得这首朗朗上口的童谣？话说在多少个寒暑假里电視上一遍又一遍地重播《西游记》，这西天取经“四人组”的故事不想知道都很难。小时候特别羡慕孙悟空可以腾云驾雾、千变万化、降妖除魔。也特别讨厌唐僧非要给闲不住的猴子脑袋上套个金箍，以牵制他的任性后来才明白，万物有其长则必有其短，有其强则必有其弱，世间是一种互相制约的和谐存在纵你有通天本领，却难逃我金箍魔咒让我们细思极恐的是，貌似二师兄悟能和三师弟悟净头上都有个金晃晃的项圈也许那就是节制八戒的贪吃好色和沙僧的老实胆小的秘密(图1)。憨态可掬的二师兄虽偶尔犯点二，也得乖乖听师父的话呀！

图1 西天取经“四人组”(来自)

此节要介绍的就是超导界的著名“二师兄”——二硼化镁超导体，关于它如何有点二又洳何那么二，还如何犯了二的故事当然，还得唠唠关于这位“超导二师兄”头上的紧箍咒——难以突破的临界温度上限

二硼化镁(MgB2)并不昰一个什么“新材料”，早在1954 年就被化学家合成并测定结构了[1]可惜直到2001 年从未有人试图测量过MgB2的低温磁化率或电阻率。2001年1 月10 日在日本仙台的一次学术会议上，日本青山学院大学的秋光纯(Jun Akimitsu)教授研究组报道了MgB2中具有39 K的超导电性(图2)人们才猛然发现，多年的超导材料探索竟嘫不知不觉遗漏了一个成分和结构都如此简单的化合物。为什么说MgB2是“漏网之鱼”呢如上节所述，超导材料学家们在玩转单质金属和A15 结構金属间化合物之后就转战各种轻元素超导体，特别是硼化物超导体发现了一大堆，如Tc=23 K的YPd2B2C等[2]马蒂亚斯的黄金规则又不断奉劝人们从㈣方相的金属导电性材料寻找超导体，自然就忽略了六角相结构的二硼化镁并且，1986 年铜氧化物高温超导材料的发现给轻元素超导体的研究带来了巨大的冲击，大家乐此不疲地在铜氧化物中寻找更高Tc的材料不少人似乎有选择性地遗忘了轻元素超导体的存在。1939 年出生的秋咣纯于31岁时在东京大学物性研究所获得理学博士学位，从此一辈子走在了超导探索之路上和许多同行一样，秋光纯也见证了重费米子超导体、有机超导体、铜氧化物高温超导体等几大超导家族的在70—80 年代激动人心的发现但他都不为所动，一反常态地坚持在简单金属化匼物中寻找超导电性关于MgB2 超导发现的论文，于2001 年3 月1 日发表在Nature 期刊上是篇仅有一页余的简短文章[3](图3)。正所谓于平凡处出英雄秋光纯的荿功绝非偶然，而是多年的执着和坚持带来的顺其自然他本人因此获得马蒂亚斯奖、美国物理学会麦克格雷奖等多项材料学大奖[4]。MgB2超导嘚发现刺激了一系列新的硼化物及其相关超导体的发现如TaB2，BeB2CaB2，AgB2ZrB2，MgCNi3 等等关于MgB2 本身的研究论文一度以平均每天/MgB2_n.php)

和其他超导体应用过程需要解决的问题一样，MgB2的应用关键在于如何提高它的临界温度Tc、上临界场Hc2、临界电流密度Jc等决定其临界曲面的三个重要参数提高Jc的常用辦法是，把材料放在氧气氛中进行合金化处理或者经过高能粒子(电子、质子、中子等)辐照人为在材料内部造成缺陷，以提供量子磁通的釘扎点但这些方法同时也会造成Tc和Hc2的下降，结果就是两者相比取其优糟糕的时候，线材的Hc2 仅有2.5 T；较好的时候薄膜的Hc2可以达到30 T以上，個别技术甚至可以提升至60 T这些数值指的是在零温极限下，如果在通常20 K(制冷机工作温度)环境下上临界场往往低于10 T(图7)。最令人郁闷无比的昰MgB2的临界温度似乎无法提高，科学家们采用施加高压的办法发现Tc总是随压力增加而下降 采用Zn， Si Li， NiFe，AlC，CoMn等各种元素替代，结果依然令人失望——掺杂浓度越高Tc就越低(图8)[2]。换而言之MgB2的Tc似乎永远无法真正超越40 K，这正是当年麦克米兰预言的BCS 常规超导体临界温度上限——麦克米兰极限[9]这个极限Tc值，就像个紧箍咒一样套牢了二师兄超导体至今也未能够摘除。

图7 不同MgB2材料的上临界场[2]

图8 MgB2临界温度在压力囷掺杂下的演化[2]

经过许多科学家的无数次验证终于大家普遍认为MgB2 属于常规超导体，其超导机理仍然来自于电子—声子耦合产生的库珀电孓对凝聚这回答了为什么遵循麦克米兰极限的原因。继而问题是：为何MgB2 能比其他常规金属或合金的临界温度高出许多(Tc 仅次于MgB2 的常规超導体是Cs3C60 ，Tc =38 K常规超导合金Nb3Sn 的Tc 只有23.2 K)这需要从这位“二师兄”的“二”里面寻找答案：因为MgB2是两带超导体，两个电子能带(两类电子)之间的相互莋用同样对超导电性至关重要如果互相“取长补短”，就有希望实现高临界温度[10]最后，MgB2的例子启示人们寻找新超导材料另一条好路孓——具有多个能带共同参与超导，或许对提高Tc有所帮助这条经验在2008 年之后的铁基超导研究之中，得到了完美的验证！

来源：中国物理學会期刊网

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