电磁学有多浪漫？且看超导与自旋波的那些事儿

本文转自：人民网-科普中国

在固体材料里，有两个电磁学现象总是冤家路窄，那就是超导和铁磁性。但是，最近有科学家声称把它俩撮合在了一起，还互动起来了。这是怎么回事？在将来又会有什么重要用途？

说到超导，大家可以简单理解为“超级导电”。也就是说有一些材料在某个温度之下，导电能力非常强，强大到电阻彻底消失为零。超导体不仅有绝对的零电阻，它还有完全的抗磁性。也就是说，它对外磁场的响应是负的，而且负的很彻底，一旦完全进入超导的状态，所有外磁场都被排出体外了，抗磁体积达到100%。超导体的抗磁性是最强大的抗磁，跟自然界其他的抗磁材料对比就知道高下，比如热解石墨，它的抗磁体积才只有0.04%，我们生活中常见的水也是抗磁的，但是抗磁体积只有可怜的0.001%，也就是十万分之一。

至于铁磁性，就是大家常说的磁铁的磁性，本质上就是材料内部的原子存在磁矩，它们整齐划一排列起来了，形成了一个小磁畴，也就是一个小块的磁铁。然后这些磁畴又再整齐排列起来，这叫“自发磁化”，这样材料整体就具有很强的磁性了。最强的永磁铁是钕铁硼，可以达到0.5T左右，吸住你的钥匙都很难拔下来。

为什么说超导和铁磁是“冤家路窄”呢？ 这是因为超导体可以实现零电阻和完全抗磁性的重要原因是其内部的导电电子发生了“配对相干凝聚”，也就是动量相反的一对对电子手牵手，这些电子对还以共同的节拍运动形成一个整体，有个高大上的名词描述它们，叫做“宏观量子凝聚态”。而磁场，就是破坏这种宏观量子凝聚态的幕后黑手，当磁场不太强的时候，电子集体可以抵御它们，所以轻松达到完全抗磁。但是，一旦磁场进入超导体内部，电子对们就要想办法抵消它。如果磁场再强大一些，电子对就承受不住磁力的拉扯，最终要被拆散，超导的零电阻就随之彻底被破坏了。

正是如此，我们一般很少去铁磁的材料里面探索超导电性，也很少把超导体和铁磁体放到一块儿去用。但是最近荷兰代尔夫特理工学院的科学家们就十分有创意地把超导体放在了铁磁材料的结构里，而且还借助超导体的强大抗磁性，改变材料内部磁性相互作用。实验观测到的效果就是，改变了铁磁自旋波——也就是铁磁磁矩在微观尺度上的舞蹈，它具有波的特性。超导抗磁性的介入，让它们的波长和传播方向发生了改变。这是怎么做到的呢？

他们选择了一种十分常用的铁磁材料——钇榴石，这种材料铁磁性很强，而且在低温下可以清晰看到自旋波。“看”的方法也十分先进，用的是金刚石色心成像。因为金刚石经常会含有少量的氮原子空位，而且对磁场十分敏感，可以借助光学的方法观测金刚石光谱的变化，就能判断那个位置有没有磁场以及磁场的强度。简单来说，就是往透明膜上撒一层细细的金刚石小晶粒，然后拍照就行了，这个方法看起来有点“土豪”，但是也没有你想象的那么贵。

实验方案示意图

接下来，他们在钇榴石表面覆盖了一层钼铼（MoRe）合金超导体，临界温度为8.7K，在超导体两边搭建了一个金桥，用来架空金刚石色心探测阵列。在超导温度以上，也就是10.7K的时候，他们看到了一条条细细的条纹，那就是铁磁自旋波——铁磁磁矩在微观尺度上的舞蹈，它具有波的特性，所以就像一条条水波纹一样。然后，降温到5.5K，钼铼合金就超导了。这个时候，强大的抗磁性使得自旋波朝两边挤，超导体下方自旋波的花纹变得稀疏，也就是波长变大了；超导两侧的花纹则变得略微密集了一些，也就是波长变短了。研究人员还巧妙设计了器件的结构，发现铁磁自旋波的方向或许可以发生改变，比如让超导体充当一面“镜子”，就像反射光那样，把自旋波反射回去，反射回去的自旋波还可能与入射的自旋波发生干涉，十分有趣。

实验测量结果

他们基于理论模型和实验数据，还得到了超导体的伦敦穿透深度，这与衡量超导体负责导电的电子对密度的重要物理参数相关，也可以用来研究超导机理。未来有可能更进一步设计出各种超导的“反射镜”、“透射镜”、“光栅”、“滤波器”、“光纤”等等来控制铁磁自旋波，开启磁通器件调控的新大门。

不过，超导并不是和所有的自旋波都不相容，如果材料体系是反铁磁的，那么反铁磁长程自旋波的存在通常和超导是竞争的，但是，短程的反铁磁涨落却可能是帮助超导来配对的。换句话说，如果磁性原子不要跳整齐划一的广场舞，而是男女搭配在小范围跳华尔兹的话，那么超导还是会爱上这种旋律的。反铁磁涨落帮助下的超导配对，温度可以达到很高，我们熟知的高温超导体，包括铜氧化物和铁基高温超导体，就属于这一类。

既然超导和铁磁自旋波不再互不兼容，那么未来我们或许可以期待更多的超导与磁性的复合体，构造出更方便、更好用的电磁学元器件。

作者：中国科学院物理研究所罗会仟

审核：中国科学院物理研究所研究员郭静