铁基超导新体系的发现者

第一完成人,靳常青,为中科院物理研究所新型量子演生材料团队负责人,曾入选杰出青年基金、中科院百人计划、百千万人才工程等国家项目,授予有突出贡献中青年专家称号。由于在新型磁电演生材料和高压调控的量子序方面的突出成绩,当选美国物理学会会士、荣获中国物理学会叶企孙物理奖。作为主要研究人员和合作者共同发现了近百种新物质和新结构,这些新发现的材料体系包括“111”型铁基超导新体系、3个铜氧化物高温超导新体系、多个巡游金属新体系、压力诱导的拓扑超导、自旋电荷注入机制分离的新一代稀磁半导体。发表SCI论文300余篇,包括30余篇发表在Nature及子刊(Nature、Nature Physics、Nature Communications),美国科学院院刊(PNAS),美国化学学会会志(JACS),物理评论快报(PRL),Advanced Mat.,Chem Mat , Nano Lett上;多篇文章入选封面和点评,研究成果得到Science、Nature, Nature Materials等著名学术期刊的评述和国际同行的广泛引用,部分成果编入专著和手册;参与组织撰写了中国材料工程大典(第8卷第3篇第7章“高温超导陶瓷”主编;信息功能材料卷第13篇“超导材料”共同主编)。授权20余项国际国内新材料和技术发明专利。国际会议做邀请报告80多个,包括国际高压科学技术大会、超导材料和机理大会、欧洲高压联合会、美国物理学年会、国际低温物理会议、美国极端条件物质大会等大型序列国际会议,作为大会主席组织了美国材料学会卫星会议及第6届亚洲高压科学和技术暨高压科学国际大会。

现任国际高压科学技术促进会(AIRAPT)执委会委员、国际晶体学联合会(IUCr)晶态材料委员会顾问、中国晶体学会常务理事、副理事长兼极端条件晶态材料专委会主任。

第二完成人,望贤成,2000年吉林大学物理系本科毕业,2005年博士毕业于吉林大学超导材料国家重点实验室,之后于清华物理系超导应用中心做两年博士后,并于2008年初进入中科研物理所工作。博士期间主要利用高压实验技术来研究超硬材料的制备以及金刚石大单晶的生长,在博士后期间自制一台可控氧气氛的热等静压设备,研究了无密封包套Bi系高温超导导线的等静压热处理实验现象。基于上述高压高温实验技术以及高温超导材料制备的研究背景,在靳常青研究员的领导下,发现以LiFeAs为代表新1类的铁基超导材料体系,研究生长了高质量单晶;我们进一步研究了压力调控的超导性质演化,合作开展了对该体系的超导相关物理机制进行系统表征研究:利用角分辨光电子能谱技术(ARPES)、中子散射实验技术、核磁共振技术实验技术,表征研究了该体系材料的电子结构、磁激发等与超导的关联,对理解该体系的超导物理机制提供了重要线索。

第三完成人,刘清青,中科院物理研究所副研究员。1995年毕业于郑州大学物理系,2001年郑州大学物理系凝聚态物理专业获硕士学位,2006年中科院物理研究所凝聚态物理专业获博士学位,2006年至2008北京大学物理学院博士后,2008年至今中国科学院物理研究所副研究员。主要研究方向是类钙钛矿结构化合物的高压极端条件合成和基本物性研究。在高压极端条件新型高温超导体的研制及物性研究方面率先得到了一系列有意义的研究结果,包括利用顶角氧掺杂机制,高压高温合成发现了Tc~39K 的新的超导体Sr2CuO2+σCl2-x,为研究[CuO2]平面的准二维特性提供了一个新的理想材料体系。高压高温合成得到了单相的顶角氧部分填充型的Sr2CuO3+σ超导体,利用退火处理将Tc 从75K 提高到95K,这是在含单层[CuO2]平面的体系中得到的最高超导转变温度。高压高温合成得到了单相的顶角氧部分填充型的 Sr2CuO3+σ超导体,提出顶角氧有序化的促进Tc 的掺杂机制,利用该机制在含单层[CuO2]平面的体系中得到95K 的超导转变。利用高压高温多重条件首次合成了钙钛矿型的BaRuO3,研究了其基本的物理性质,发现它是一个很好的铁磁金属,进一步运用高压调控,观察到BaRuO3 的量子临界相变。在上述研究工作的基础上,在包括Nature Communications,PRL,PNAS,JACS,PRB,APL 等在内的国际学术期刊上合作发表SCI学术论文60多篇,申请新材料专利多项。

第四完成人,邓正,2006年06月于哈尔滨工业大学获工学学士,2012年06月于中国科学院物理研究所获理学博士,2012年07月起任中国科学院物理研究所助理研究员,2016年07月起任中国科学院物理研究所副研究员。目前主持国家自然科学青年基金项目一项。长期从事电子强关联体系晶态材料的研制及单晶生长等研究工作。主要工作成果为,作为主要骨干成员(1)发现了“111”型铁基超导体的新组元LiFeP;(2)设计并成功研制了载流子基元和磁性基元的分离的新一代稀磁半导体Li(Zn,Mn)As;(3)研制了多种新一代稀磁半导体的其它体系材料,拓宽了新型稀磁半导体材料探索的思路,突破了稀磁半导体研究中晶体结构的限制。目前为止发表包括Nature Communications、Journal of the American Chemical Society、Scientific Reports、Physical Review B (含Rapid communications)在内的SCI论文20余篇,已授权专利2项。

 

靳常青研究团队研究团队组建于1990年代,骨干成员为靳常青研究员,刘清青副研究员,望贤成副研究员,邓正副研究员和禹日成研究员。

2008年初日本科学家报道的LaFeAsO具有26K的超导电性的文章引起了世界范围内研究铁基超导的热潮。很快中科研物理所团队以及中国科技大学等团队在该铁基体系的基础上将超导温度提高到40K以上。靳常青研究率团队想要发现新的有别于其他同事正在研究的铁基超导体系,基于他们对铁基超导结构基元的认识以及在铜氧化物高温超导结构研究上的经验,他们认为最简单的方法就是在超导基元FeAs层插入+1价的碱金属Li (Na),由此发现了以LiFeAs为代表的新1类型的铁基超导材料:“111”体系。继发现LiFeAs超导,靳常青率研究团队相继发现了“111”型其它组元LiFeP超导体,在“111”NaFeAs中加压得到了31K的“111”系统最高的超导转变。最高超导转变温度对应常压和高压四方相的转变点以及最佳As-Fe-As键角和 As到Fe面距离,这为寻求“111” NaFeAs压力调控的超导物性演化的结构起源提供了重要实验依据,为从结构设计上探寻新的铁基超导提供了重要信息。

在铁基超导研究基础上,他们将材料作了进一步拓展,2011年靳常青率研究团队在自旋极化的稀磁半导体研究中取得重要进展;兼具电荷属性和自旋特性的稀磁半导体被认为是突破Moor定律瓶颈的关键信息存储载体。他们通过实验发现了1类新的基于”111”半导体的稀磁体Li(Zn,Mn)As,成功实现了自旋和电荷分别注入和调控。和GaAs不同之处在于,对LiZnAs在Zn2+位注入Mn2+只引入自旋,载流子则通过改变Li的含量来进行调控。LiZnAs半导体就可以实现自旋和电荷注入机制的分离,突破了(Ga,Mn)As等经典稀磁半导的自旋电荷注入的捆绑瓶颈,为稀磁半导体的磁性和电性的调控分别提供了前提。(Ga,Mn)As稀磁半导体研制工艺苛刻,自旋注入只能在处于低温的薄膜材料实现,严重限制了对材料宏观物性的表征。以Li(ZnMn)As为代表的稀磁半导体的研制成功,为稀磁半导体带来了的发展,开拓了全新的方向。

作为一种新的物质状态,拓扑化合物在近几年得到越来越多物理学家的重视。理论预言了拓扑材料许多奇异物性,其中拓扑超导电性尤其引人注目。2011年靳常青研究团队运用基于金刚石压砧的高压低温综合实验技术,在三维拓扑化合物Bi2Te3中成功地观察到压力诱导的超导转变。他们生长了高质量的P型Bi2Te3单晶,在3~6GPa 压力范围发现了Tc≈3K的超导转变。结构实验表明在上述压力区间Bi2Te3依然保持常压相构型,基于实验测量的结构数据,第一性原理计算证实母体相依然具有拓扑属性。即在呈现超导转变的压力区间,Bi2Te3的表面态依然具有Dirac锥的特征,所以形成体材料超导的p-型载流子费米面与Γ-点附近的Dirac表面态相对独立。这是首次运用物理外压力在拓扑化合物中实现了拓扑超导。

 

获奖项目:磁电演生新材料及高压调控的量子序

主要完成人:靳常青(中国科学院物理研究所),望贤成(中国科学院物理研究所),刘清青(中国科学院物理研究所),邓正(中国科学院物理研究所),禹日成(中国科学院物理研究所)

 

 

 

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