研究成果

物理研究團隊補白超導機制之謎圖 證實鐵硒高溫超導體(FeSe)三種排序與其反鐵磁性

刊登日期:2014-02-25

本院物理研究所研究團隊日前以創新的奈米製程方式所獲得的化合物為研究材料,證實鐵硒超導體化合物(β-Fe1-xSe)中至少含有三種不同的鐵空位的排序,並且發現其中的一種排序為絕緣體且具反鐵磁性。由於物理學家至今仍未解開超導現象之謎圖,超導體的日常生活應用乃而受限,預計這項創新的發現將可提供更明確的方向,協助科學家理解所有的高溫超導機制。國際頂尖專業期刊「美國國家科學院期刊」(Proceedings of the National Academy of Science (PNAS)於2014年1月7日刊登這篇重要的研究成果。

超導體是指一種導體電阻為零的材料,而且必須在低溫環境中始能發生作用。多年來,物理學家是利用攝氏零下250度(23K)的環境以及液態氦冷卻之方式,啟動超導機制。這種複雜的製程與昂貴的成本,使得超導體的日常應用甚為困難。直到1986年一種以銅為基礎的高溫超導體(鑭鋇銅氧化物)首先被研發出來,以及2008年以鐵為基礎的高溫超導體亦被陸續成功研發。目前銅氧化物超導體的操作環境溫度已提高到攝氏零下143度(130K),距離日常生活應用相當接近。然而,截至目前為止,科學家對於低溫超導或許已經理解甚多,對於高溫超導卻仍有諸多謎圖等待補白。

高溫超導是一種奇特且難以預測的物理現象。在諸多未解謎圖中,鐵基超導體之明確的化學組成,同一系列材料卻呈現極大差異的超導轉變溫度,以及此材料超導之形成是否和鐵元素本質上具有磁性相關等議題,尤其吸引鐵基超導體研究專家們的眼光與關注。

此次由本院物理研究所特聘研究員暨國立東華大學校長吳茂昆院士所領導的實驗團隊,透過與清華大學陳福榮教授以及比利時安特衛普大學 (University of Antwerp in Belgium) 范戴克教授 (Professor Dirk Van Dyck)之合作,應用該所昂貴的核心設施儀器以及安特衛普大學超高解析度穿透式電子顯微鏡,再度證實鐵硒超導體化合物(β-Fe1-xSe)中至少含有三種不同的鐵空位的排序,並且發現其中的一種排序為絕緣體且具反鐵磁性。同時,此次研究團隊所使用的材料即為2008年吳茂昆院士所首度創新研發出來的鐵硒超導化合物(β-Fe1-xSe)。鐵硒超導體是近年來物理界最熱門的研究題材,由於鐵硒是一種可能在超導溫度接近液態氮液化溫度的材料,同時具有極高的臨界電流密度,被視為研發成為零損耗、高電流傳輸線的適當對象。

此篇研究獲得國際重視其原因有二。其一、學術界在高溫超導體的研究,一般相信高溫超導的成因,是在一具有反鐵磁性的母體相(parent phase)化合物內,摻雜足量的電子或電洞後,促使反鐵磁性變成超導性。這篇研究的出現,提供鐵硒高溫超導體研究真實的母體相基礎,進一步得以描繪鐵硒超導體的完整相圖。其二,這篇研究發現新的鐵空位有序相的存在,可協助科學家們研究鐵空缺與超導態之間的關聯性,對於鐵基高溫超導體或甚至銅氧化物高溫超導體的超導機制,將有更進一步的瞭解。

超導體目前已經應用於人類使用的磁共振顯像、高速磁浮列車、以及核磁共振顯像等醫學高解析等科技產品。若能克服超導體的成本、溫度、穩定度等限制,未來將為長距離無耗損的電力傳輸、高性能網格、雷達、變壓設備、儲電設備、高能物理、高端計算、奈米級材料以及超導磁制冷等範疇,帶來革命性的影響。

新聞聯繫人:
吳茂昆院士,中央研究院物理研究所特聘研究員暨國立東華大學校長
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林美惠,中央研究院院本部秘書長室mhlin313@gate.sinica.edu.tw
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黃復君 ,中央研究院院本部秘書長室pearlhuang@gate.sinica.edu.tw
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董克景教授,國立東華大學秘書室公關組 kctung@mail.ndhu.edu.tw
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發稿單位 : 秘書長室
最後更新:中華民國103年02月18日