20多年來，唯一已知的在遠高於液氦溫度下工作的超導體是幾十種化合物——幾乎全部基於銅。現在，科學家們發現了首批基於鐵的高溫超導體。這些新型材料可能有助於解開科學領域最大的謎團之一——高溫超導體究竟是如何工作的。
在超導體中，電流可以完全無電阻地流動。幾十年來，人們認為這種現象只發生在接近絕對零度的條件下。低溫抑制了構成物質的原子振動，使電子能夠克服彼此之間的自然排斥力。這種改變後的振動，稱為聲子，導致電子配對；配對後，它們可以在原子晶格中自由移動。
然而，從1986年開始，物理學家開始發現一種新型超導體，其工作溫度遠高於絕對零度，最高可達160開爾文（–113攝氏度）。這些材料被稱為銅酸鹽，通常由夾在其他物質之間的氧化銅層組成。銅酸鹽的結構和高溫干擾了驅動傳統超導體的機制，導致物理學家試圖提出新的解釋。
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一項意外的發現現在迫使研究人員擴充套件他們對超導性的認識。東京工業大學的材料科學家細野秀雄和他的同事們原本希望改進透明氧化物半導體的效能，但最終卻發現了首個鐵基高溫超導體。
這種化學名為LaOFeAs的晶體材料，將電子流動的鐵和砷層堆疊在鑭和氧的平面之間。用氟取代高達11%的氧改善了化合物的效能——它在26開爾文下變成了超導體，該團隊在3月19日的《美國化學學會雜誌》上報告說。其他研究小組的後續研究表明，用其他稀土元素（如鈰、釤、釹和鐠）取代LaOFeAs中的鑭，可以得到在52開爾文下工作的超導體。
這些層狀鐵化合物中的高溫超導性完全出乎研究人員的意料，他們認為鐵的磁性會破壞電子的配對。也許，正如銅酸鹽的情況似乎那樣，電子是在自旋漲落——構成超導體的原子磁場中的擾動——的幫助下配對的。“這些鐵基超導體可以為我們理解銅酸鹽提供新的線索，”羅格斯大學物理學家克里斯蒂安·豪勒說。
另一方面，可能將銅酸鹽電子結合在一起的自旋漲落可能不足以用於鐵基材料。相反，軌道漲落——或原子周圍電子位置的變化——也可能被證明至關重要，豪勒推測。本質上，在電子圍繞原子旋轉的方式方面，鐵基材料比銅酸鹽給予電子更大的自由度。
豪勒推測，軌道漲落也可能在其他非常規超導體中發揮重要作用，例如基於鈾或鈷的超導體，它們的工作溫度更接近絕對零度。由於鐵基超導體在更高的溫度下工作，因此這些漲落可能更容易研究。
加州大學戴維斯分校的理論物理學家大衛·派恩斯評論說，除了闡明超導性的理論基礎之外，這一發現“讓我們不禁要問，是否還有其他我們尚未在意外的地方發現的高溫超導體，以及這些超導體是否能在更高的溫度下工作”，他同時也是複雜自適應物質研究所的創始主任。為了提高臨界溫度，實驗不僅應側重於替換其他元素，還應側重於對化合物進行分層。豪勒認為，這應該像改善銅酸鹽超導體一樣改善它們。
基於鐵也可能使這些物質更具商業吸引力。銅酸鹽的脆性，作為陶瓷，它們非常易碎，長期以來阻礙了諸如超導輸電線等應用。豪勒補充說，如果鐵基材料比銅酸鹽更易於處理和製造，“它們將變得非常重要”。