|
轻元素主要指氢、锂、硼、碳、氮、氧、氟等，其中碳化物(有机)超导体和氧化物超导体已为所知。因此，这里的轻元素超导主要是指简单金属化合物、硼化物和氮化物等超导体。 1911年单质汞超导被发现之后，人们首先想到的是寻找单质超导体。虽然被发现的超导单质还真不少，但其临界温度高一点点的实在稀有，常压下Tc为9K的铌(Nb)已算是佼佼者。科学家费了九牛二虎之力，继而在铌的化合物中寻找超导体，其中NbO的Tc为1.4K、NbC的Tc为15.3K、NbN的Tc为16K。适当改变元素配比，可以在NbC0.3N0.7里实现Tc=17.8K。完成这项工作的是美国贝尔实验室的德裔科学家马蒂亚斯，他的工作启迪人们，在某些金属元素和非金属元素的二元化合物里，有希望寻找到更高临界温度的超导体。这类材料的结构和化学式相对简单，分子量也比较轻，基本算得上是瘦子超导家族一员。 铌的碳化物和氮化物都是立方结构，和食盐NaCl结构类似，称之为B1相。1954年，另一个具有A15相的超导体V3Si(Tc=17.1K)被发现，它和B1相同样具有立方结构，但面内原子分布细节不同。马蒂亚斯抓住机会，在铌的A15相Nb3Sn中发现了Tc=18.1K。随后人们陆续发现了诸多A15类超导体，来自V、Ta、Nb和Si、Ge、Ga、Al、Sn等的组合，多达60余种。特别是Nb3Al、Nb3Ga、Nb3Si、Nb3Ge等，一再突破当时的超导温度记录。目前，A15相化合物最高临界温度的是2008年发现的高压下Cs3C60，Tc=38K。 马蒂亚斯因为A15相的研究，加上其他一系列新超导材料的发现，成为了当时超导材料探索的超级大师。他总结了探索更高Tc超导材料的黄金六法则： 高对称性； 高电子态密度； 不含氧； 无磁性； 非绝缘体； 不信理论家。 不幸地是，这些化合物连突破20K的Tc都很困难，令人不禁怀疑自己遵循了“假法则”。1986年，铜氧化物高温超导体的发现，彻底颠覆了马蒂亚斯法则，至少六条里面有五条是错的，仅剩下“远离理论学家”这一条也许是对的。 1986年以前的超导材料探索，虽然超导温度提升艰难，但超导应用却一直充满活力。例如Nb3Sn和NbTi的超导线缆技术得以不断发展，至今仍然是应用最多的超导材料，在超导输电、超导磁体、粒子探测等均有应用。而NbN材料因为其薄膜容易被刻蚀成宽度极窄的纳米线阵列，被用于单光子探测器。当一个光子落到纳米线上时，超导被破坏而产生电阻，从而被探测到。单光子探测器不仅限于NbN超导薄膜，它已经是现代光学探测的重器(图1)。
1996年以来，一类称之为MNX(M=Ti,Zr,Hf；X=Cl,Br,I)的氮化物超导体被发现。这类层状材料需要插入离子导电层才能出现超导，具有α相和β相两种结构形式，被日本科学家山中昭司研究组发现的有α-K0.21TiNBr(Tc=17.2K)、β-Li0.48(THF)0.3HfNCl(Tc=25.5K)等。这类插层超导体和NaxCoO2、FeSe等有着异曲同工之妙。最有趣的是，其临界温度跟插层后的原子层间距直接相关。因为这类材料具有稀薄的电子浓度、不太强的电子-声子耦合和较大的超导能隙，经验上显然违背了马蒂亚斯法则，理论上也难以用BCS理论来解释，故和重费米子超导体及有些有机超导体一样属于非常规超导体，其超导微观起源目前尚有争议。这类材料也不是很稳定，或对空气敏感。目前许多实验测量尚存在诸多困难，导致人们对其了解有限。 关于含Ni和C的超导体，2001年美国R.J.Cava研究组发现了MgCNi3超导体（Tc≈7K）。该化合物具有八面体钙钛矿结构，但不是氧化物。由于Ni是磁性元素，人们首先怀疑它是否具有磁有序或者磁涨落，并再度怀疑它可能属于非常规超导体。经过数年的实验研究，最后两个疑点都被澄清，确认它属于电子-声子耦合的常规BCS超导体，和复杂的钙钛矿氧化物有天壤之别。 |
|
|
