凝聚态物质中的一个重要物理现象是“层展”
(emergency)，理论物理学家P. W. Anderson称这种层展是“多则不同”。考虑微观世界的每一个电子或原子，原则上都可以用量子力学方程来描述，宏观物质无非是一个庞大微观粒子体系，其物理性质应该可以用一个薛定谔方程组来解释。但是，答案是否定的。首先，物理学并没有一个很好的处理三体以上问题的工具，即使我们知道单个物体的运动规律，却无法严格解析出多个对象中每个个体的运动规律。其次，凝聚态物质中粒子数目至少是1023量级，它们之间的相互作用极其复杂，虽然构造方程组容易，但目前还无法给出它的严格解。再者，在不同粒子数、空间尺度、维度的情形下，物质的性质是可以截然不同的，就像哪吒有“三头六臂”一样，因情因境其电磁特性不尽相同。也就是说，在凝聚态物质中，个体行为永远代替不了整体性质，许多物理现象只有在粒子群体层面才能体现，而每一层所对应的微观机理又不尽相同。 图1：Fe原子结构与元素特征 |
我们常说超导是一种宏观量子行为，指的是一大群库伯电子对的集体行为，用电子两两配对来描述只不过是一种理想情形下的极度简化。物理学家们早就认识到了这点，只是在处理实际问题时，总是倾向于用简单的物理模型。对于大部分超导现象而言，一般都认为参与超导电性的都是“一类”电子，即属于单带超导。这种思考对于从金属合金到铜氧化物超导体研究过程来说几乎都是适用的，因为大部分超导体都是单一费米面，很少人怀疑它的局限性。直到发现了被称之为“二师兄”的MgB2超导现象之后，人们才意识到原来材料里可以存在多个费米面同时参与超导（MgB2是一个两带超导体）。进一步的发现表明，“多了就是不一样”。同样是在电子-声子相互作用下形成的超导，单带情形下的金属单质铌Tc=9 K，金属合金Nb3Ge Tc=23 K，多带体系MgB2却能达到Tc=39 K。更多的多带超导体随后被确认，这些材料具有多个费米面和超导能隙，寻找合适的多带超导体系一时间被认为是突破临界温度的一种途径。
当铁基超导体被发现之后，科学家们很快就意识到这个新的高温超导家族也属于多带超导。按照铁原子内部的电子排布，铁基超导体中一般为Fe2+离子，这相当是剥掉最外层2个电子后，次外层处于3d轨道上的6个电子就被“暴露”出来了，它们都有机会参与超导(图1) 。
铁基超导材料的特征象是“多面手”，比如：它具有很多个材料体系，每个元素位置都有多种掺杂方式来诱发超导，电子态相图可以是多维度构造，超导和磁性母体区域可以是多个并存，等等。除此之外，铁基超导材料还有另外几种性质上的“多”，这正是我们这里要探讨的内容。 图2：3d电子轨道(电子云) 图3：空穴和电子载流子共存
多电子轨道。铁基超导体导电的是Fe2+离子，属于3d过渡金属元素。按照原子中电子轨道（s、p、d、f等）排布的洪特定则，铁原子的3d电子轨道有5个：3dxy, 3dxz, 3dyz, 3d x2-y2, 3dz2。前4者的轨道电子云形状都是十字梅花形，分别处于xy、xz、yz平面和xy平面对角线而已，最后一个轨道电子云是一个纺锤形(图2) 。这些3d电子轨道具有一定的节点和节线，在某些特殊位置出现的概率为零。根据泡利不相容原理，每个电子轨道可以占据两个不同自旋态的电子，5个3d电子轨道最多可以占据10个电子，其中Fe2+占据6个电子，Fe3+占据5个电子。载流子掺杂将进一步改变电子占据数目，自旋排布的不均衡使得铁离子具有磁性。这5类电子都可以参与铁基超导电性的形成，造成了铁基超导理论研究的多参数局面，困难顿时翻了好几倍。此外，xz和yz的电子轨道还容易发生简并，即从能量上无法区分。因此，铁基超导体中的多轨道物理，从一开始就给研究者带来了困扰。 多载流子类型。铁基超导体的多轨道特性使得参与导电的载流子可以是“空穴和电子”共存。所谓“空穴”，指的是电子群体的一种等效描述，比如一群(价带)电子失去一个电子，就等效于产生一个带正电的空穴。在铁基超导体中，铁离子既容易得到电子，也容易失去电子，所以参与的载流子数目有带负电的电子，也有带正电的空穴(图3)。此与半导体中的空穴和电子概念类似，仅仅是在铁基超导中的空穴或电子的浓度远超半导体。尚未掺杂的铁基超导母体从一开始就是“坏”金属，它不是半导体或绝缘体，也不是导电能力强的“好”金属，传统的电荷输运理论在铁基超导里面变得非常复杂起来。例如，对于单带体系来说，利用霍尔效应可以很轻松判断载流子类型，但在多带的铁基超导体中，却可能出现非线性的霍尔效应和多变的霍尔系数。 图4：CaKFe4As4的费米面和电子能带结构
多费米面/能带。铁基超导体的多轨道和多载流子特性深刻体现在了电子能带和费米面结构上，就像哪吒的“三头六臂”一样。铁基超导体的电子能带的一个色散关系就可能由多个轨道组成，即不同能量和动量的区域由不同的电子轨道占据。到了费米能级（能量最高点），就会有多个轨道的多个电子能带穿越，形成多个小的费米面口袋，而不是一个整齐划一的费米面。一般来说，铁基超导体的费米面由处于布里渊区中心的2-6个空穴型费米口袋，和处于布里渊区角落的1-4个电子型费米口袋组成，对应着空穴和电子两类载流子(图4(a)) 。我们通常把同一个费米口袋称之为一个能带，可能由多个不同的电子轨道组成，而且它们各自的占据率可以不一样(图4(b))。尽管铁基超导体晶体结构是准二维的，每一个费米口袋也往往不是一个非常严格的二维圆筒状，某些材料中甚至可以形成三维结构的费米面。如此复杂的微观电子态下的导电机制都很难理清楚，要认识超导的形成机理更是充满困难。 图5：Ba0.6K0.4Fe2As2费米面上的不同超导能隙
图6：BaFe2(As0.7P0.3)2费米面上的三维超导能隙
多超导能隙。既然铁基超导体的费米面是多个小费米口袋的“多面手”，那么每个费米口袋上的超导能隙就可以不尽相同。进入超导态后，几乎每一个费米口袋都会形成超导能隙，空穴型和电子型的超导能隙差异可以很大(图6)。考虑到费米口袋的三维特性，在三维布里渊区来看，超导能隙也可以是三维化的，即在铁砷面外的方向上存在超导能隙大小的调制，严重情形下甚至可以形成能隙的节点——某些特殊动量空间点上的能隙为零(图6) 。
图7：费米面嵌套下的S±超导配对机制 |
铁基超导体的“多面手”现象无疑给铁基超导机理的研究雪上加霜。实验上，需要精确测量每个费米口袋甚至每个动量点的能隙大小；理论上，需要分析能隙调制的本质原因并探究可能的电子配对模式；进一步，还需要分析不同电子轨道占据和它们各自对超导电性的具体贡献。即便如此，理论家们根据实验结果，还是给出了可能的铁基超导机理模型，其中最被广泛接受的，就是s±超导配对机制。我们知道，对于电子-声子配对形成超导的常规金属超导体而言，它们的能隙往往是各向同性的s波。在铁基超导体里，大部分实验都证明超导能隙是“全能隙”形式——不存在能隙为零的节点或节线。个别情况下有可能存在能隙节点，也有可能是多能带中某一个能带的能隙极小。如果考虑到材料中的库仑排斥作用，不同载流子类型的费米面就会被强行分立，在动量空间形成多个费米口袋，连接它们的是一个有限大小的动量转移尺度Q。进一步，因为反铁磁相互作用的存在，导致Q连接下的两个费米口袋上的能隙符号是相反的，即一类是正号，另一类是负号(图7) 。如果两个费米口袋在平移Q波矢之后存在某种程度的可重叠效应，那么就称之为它们之间存在费米面“嵌套”行为，相应的配对或散射效应会大大增强。s±超导配对机制又被称之为“符号相反的s波超导”，被越来越多的实验证据所证实。需要特别指出的是，尽管早期的理论要求s±超导配对必须在嵌套的空穴和电子口袋上发生，但是之后的实验证据表明，在两个电子口袋之间甚至是同个电子口袋的不同部分，也是可以发生s±超导配对的。
看似简单的s波超导，被铁基超导体中的“多”玩出来许多花样，成为铁基超导机理研究的最大困难也是最迷人之处。
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