電磁學(xué)有多浪漫？且看超導(dǎo)與自旋波的“相愛(ài)相殺”

作者 | 羅會(huì)仟 中國(guó)科學(xué)院物理研究所

在固體材料里，有兩個(gè)電磁學(xué)現(xiàn)象總是冤家路窄，那就是超導(dǎo)和鐵磁性。但是，最近有科學(xué)家聲稱(chēng)把他倆個(gè)撮合在了一起，還互動(dòng)起來(lái)了。這是怎么回事呢？在將來(lái)又會(huì)有什么重要用途呢？今天我們一起聊聊超導(dǎo)與自旋波的愛(ài)恨情仇。

說(shuō)到超導(dǎo)啊，大家可以簡(jiǎn)單理解為“超級(jí)導(dǎo)電”。也就是說(shuō)有一些材料在某個(gè)溫度之下，導(dǎo)電能力非常強(qiáng)，強(qiáng)大到電阻徹底消失為零。超導(dǎo)體不僅有絕對(duì)的零電阻，它還有完全的抗磁性。也就是說(shuō)，它對(duì)外磁場(chǎng)的響應(yīng)是負(fù)的，而且負(fù)的很徹底，一旦完全進(jìn)入超導(dǎo)的狀態(tài)，所有外磁場(chǎng)都被排出體外了，抗磁體積達(dá)到100%。超導(dǎo)體的抗磁性是最強(qiáng)大的抗磁，跟自然界其他的抗磁材料對(duì)比就知道高下，比如熱解石墨，它的抗磁體積才只有0.04%，我們生活中常見(jiàn)的水也是抗磁的，但是抗磁體積只有可憐的0.001%，也就是十萬(wàn)分之一。

超導(dǎo)體的完全抗磁性

至于鐵磁性，就是大家常說(shuō)的磁鐵的磁性，本質(zhì)上就是材料內(nèi)部的原子存在磁矩，它們整齊劃一排列起來(lái)了，形成了一個(gè)小磁疇，也就是一個(gè)小塊的磁鐵。然后這些磁疇又再整齊排列起來(lái)，這叫“自發(fā)磁化”，這樣材料整體就具有很強(qiáng)的磁性了。最強(qiáng)的永磁鐵是釹鐵硼，可以達(dá)到0.5T左右，吸住你的鑰匙都很難拔下來(lái)。

為什么說(shuō)超導(dǎo)和鐵磁是“冤家路窄”呢？ 這是因?yàn)槌瑢?dǎo)體可以實(shí)現(xiàn)零電阻和完全抗磁性的重要原因，是其內(nèi)部的導(dǎo)電電子發(fā)生了“配對(duì)相干凝聚”。也就是動(dòng)量相反的一對(duì)對(duì)電子手牽手，這些電子對(duì)還以共同的節(jié)拍運(yùn)動(dòng)形成一個(gè)整體，有個(gè)高大上的名詞描述它們，叫做“宏觀量子凝聚態(tài)”。而磁場(chǎng)呢，就是破壞這種宏觀量子凝聚態(tài)的幕后黑手，當(dāng)磁場(chǎng)不太強(qiáng)的時(shí)候，電子集體可以抵御它們，所以輕松達(dá)到完全抗磁。但是，一旦磁場(chǎng)進(jìn)入超導(dǎo)體內(nèi)部，電子對(duì)們就要想辦法抵消它，于是圍著磁通線反方向轉(zhuǎn)來(lái)強(qiáng)制它。如果磁場(chǎng)再?gòu)?qiáng)大一些，電子對(duì)就承受不住磁力的拉扯，最終要被拆散，超導(dǎo)的零電阻就隨之徹底破壞了。

正是如此，我們一般很少去鐵磁的材料里面探索超導(dǎo)電性，也很少把超導(dǎo)體和鐵磁體放到一塊兒去用它們。但是最近荷蘭代爾夫特理工學(xué)院的科學(xué)家們，就十分有創(chuàng)意地把超導(dǎo)體放在了鐵磁材料的結(jié)構(gòu)里，而且還借助超導(dǎo)體的強(qiáng)大抗磁性，改變材料內(nèi)部磁性相互作用。實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到效果就是，改變了鐵磁自旋波——也就是鐵磁磁矩在微觀尺度上的舞蹈，它具有波的特性。超導(dǎo)抗磁性的介入，讓它們的波長(zhǎng)和傳播方向發(fā)生了改變。這是怎么做到的呢？

他們選擇了一種十分常用的鐵磁材料——釔榴石，它們鐵磁性很強(qiáng)，而且在低溫下可以清晰看到自旋波。他們“看”的方法也十分先進(jìn)，用的是金剛石色心成像。因?yàn)榻饎偸?jīng)常會(huì)含有少量的氮原子空位，而且對(duì)磁場(chǎng)十分敏感，可以借助光學(xué)的方法觀測(cè)金剛石光譜的變化，就能判斷那個(gè)位置有沒(méi)有磁場(chǎng)以及磁場(chǎng)的強(qiáng)度。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是往透明膜上撒一層細(xì)細(xì)的金剛石小晶粒，然后拍照就行了，這個(gè)方法看起來(lái)有點(diǎn)“土豪”，但是也沒(méi)有你想象的那么貴。

實(shí)驗(yàn)方案示意圖

接下來(lái)，他們?cè)卺惲袷砻娓采w了一層鉬錸（MoRe）合金超導(dǎo)體，臨界溫度為8.7 K，在超導(dǎo)體兩邊搭建了一個(gè)金橋，用來(lái)架空金剛石色心探測(cè)陣列。在超導(dǎo)溫度以上，也就是10.7 K的時(shí)候，他們看到了一條條細(xì)細(xì)的條紋，那就是鐵磁自旋波——鐵磁磁矩在微觀尺度上的舞蹈，它具有波的特性，所以看到就像一條條水波紋一樣。然后，降溫到5.5 K，鉬錸合金就超導(dǎo)了。這個(gè)時(shí)候，強(qiáng)大的抗磁性使得自旋波朝兩邊擠，超導(dǎo)體下方自旋波的花紋變得稀疏，也就是波長(zhǎng)變大了；超導(dǎo)兩側(cè)的花紋則變得略微密集了一些，也就是波長(zhǎng)變短了。研究人員還巧妙設(shè)計(jì)了器件的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)鐵磁自旋波的方向或許可以發(fā)生改變，比如讓超導(dǎo)體充當(dāng)一面“鏡子”，就像反射光那樣，把自旋波反射回去，反射回去的自旋波還可能與入射的自旋波發(fā)生干涉，十分有趣！

實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果

他們基于理論模型和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，還得到了超導(dǎo)體的倫敦穿透深度，這是與衡量超導(dǎo)體負(fù)責(zé)導(dǎo)電的電子對(duì)密度的重要物理參數(shù)相關(guān)，也就可以用來(lái)研究超導(dǎo)機(jī)理。進(jìn)一步的話，有可能未來(lái)設(shè)計(jì)出各種超導(dǎo)的“反射鏡”、“透射鏡”、“光柵”、“濾波器”、“光纖”等等來(lái)控制鐵磁自旋波，開(kāi)啟了磁通器件調(diào)控的新大門(mén)。

不過(guò)話說(shuō)回來(lái)，超導(dǎo)并不是和所有的自旋波都不相容，如果材料體系是反鐵磁的，那么反鐵磁長(zhǎng)程自旋波的存在通常和超導(dǎo)是競(jìng)爭(zhēng)的，但是，短程的反鐵磁漲落卻可能是幫助超導(dǎo)來(lái)配對(duì)的。換句話說(shuō)，如果磁性原子不要跳整齊劃一的廣場(chǎng)舞，而是男女搭配在小范圍跳華爾茲的話，那么超導(dǎo)還是會(huì)愛(ài)上這種旋律的。反鐵磁漲落幫助下的超導(dǎo)配對(duì)，溫度可以達(dá)到很高，我們熟知的高溫超導(dǎo)體，包括銅氧化物和鐵基高溫超導(dǎo)體，就屬于這一類(lèi)。

既然超導(dǎo)和鐵磁自旋波不再互不兼容，那么未來(lái)我們或許可以期待更多的超導(dǎo)與磁性的復(fù)合體，構(gòu)造出更方便、更好用的電磁學(xué)元器件！

本文為科普中國(guó)·星空計(jì)劃扶持作品

作者名稱(chēng)：羅會(huì)仟

審核：郭靜 中國(guó)科學(xué)院物理研究所 研究員

出品：中國(guó)科協(xié)科普部

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