电磁学有多浪漫？且看超导与自旋波的“相爱相杀”

作者 | 罗会仟 中国科学院物理研究所

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他俩个撮合在了一起，还互动起来了。这是怎么回事呢？在将来又会有什么重要用途呢？今天我们一起聊聊超导与自旋波的爱恨情仇。

说到超导啊，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。

超导体的完全抗磁性

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”。而磁场呢，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，于是围着磁通线反方向转来强制它。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它们。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，它们铁磁性很强，而且在低温下可以清晰看到自旋波。他们“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8.7 K，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10.7 K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，所以看到就像一条条水波纹一样。然后，降温到5.5 K，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，这是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，也就可以用来研究超导机理。进一步的话，有可能未来设计出各种超导的“反射镜”、“透射镜”、“光栅”、“滤波器”、“光纤”等等来控制铁磁自旋波，开启了磁通器件调控的新大门。

不过话说回来，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！

本文为科普中国·星空计划扶持作品

作者名称：罗会仟

审核：郭静 中国科学院物理研究所 研究员

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司