科學家發(fā)現(xiàn)一種兼具超導和鐵磁性的材料，并做出了理論解釋。新理論模型還預測了迄今為止在這類材料中尚未觀察到的效應，其研究發(fā)表在《物理評論快報》上。

在某種程度上，鐵磁性和超導性是兩個對立的趨勢，鐵磁性和超導性似乎不能在一個晶體中共存。的確，超導體能容納零電阻的電流，當放置在磁場中，這種物質會將磁場從它的體積中驅逐出去，這就是所謂的邁斯納效應。

相比之下，鐵磁是磁化的，因此攜帶磁場在其體積。因此，一種材料似乎不能同時表現(xiàn)出超導性和鐵磁性。然而，基于銪的化合物現(xiàn)在成為了現(xiàn)在研究焦點，觀察銪的化合物表明可以同時表現(xiàn)出鐵磁性和超導性。這除了對基礎科學的重要性，這兩種現(xiàn)象在一種材料中共存還為新設備設計提供了有趣的可能性。還具有超導自旋電子學的前景，也就是說，用自旋編碼的信息工作設備，沒有損耗。

一個普通冰箱磁鐵是鐵磁的一個例子，所謂的居里點位于室溫以上。在臨界溫度以下，由于外層電子固有磁動量或自旋的平行排列，鐵磁性材料被磁化。這似乎違反直覺，但在微觀尺度下，這種自發(fā)排列本質是電而不是磁：對于平行自旋構型，鐵磁體中電子的庫侖相互作用能更低。因此，每個自旋都可以被認為是駐留在由其他自旋產生的平均場或交換場中。

為什么鐵磁性會破壞超導性？

超導電子和磁矩的相互作用有兩種機制，即電磁學和交換學。物理學家Vitaly Ginzburg在1956年預測，電磁機制包括屏蔽邁斯納電流。如上所述，外部磁場不會穿透超導體的本體。為了補償本體中的外場，屏蔽電流沿超導體表面流動。這些流的產生使能量增加。當外場大于某一臨界值時，屏蔽電流所增加的能量超過冷凝能量。使它變得更有利于超導體過渡到正常狀態(tài)，并允許場進入體。

由于鐵磁體典型磁化強度遠大于超導體的臨界磁場，均勻鐵磁性破壞了超導性。交換機制涉及鐵磁體的交換場與使超導成為可能與電子之間的相互作用，它們實際上是兩個電子的束縛態(tài)，動量和自旋相反，叫做庫珀對。交換場傾向于使電子自旋平行排列，從而破壞庫珀對，從而破壞超導性，表明鐵磁性會破壞超導性，不能共存，這就是所謂的順磁效應。

鐵磁性如何與超導共存？

新的研究表明，一種材料可以同時表現(xiàn)出鐵磁性和超導性，只要其中一種有序狀態(tài)是不均勻的。事實上，非均勻場在較小程度上是屏蔽的，這意味著非均勻磁結構不會通過電磁機制破壞超導性。僅交換相互作用，早在1959年就預測超導態(tài)會出現(xiàn)非均勻磁結構。這種結構的周期遠小于庫柏對特征尺寸。結果，在庫柏對的尺度上，平均交換場減小，當鐵磁性出現(xiàn)時，它不會破壞超導性。隨著溫度下降，在某一時刻交換場達到順磁極限，然后超導性就消失了。

不幸的是，對于所有已知的鐵磁性超導體，同時容納鐵磁性和超導性的溫度窗口只有約0.1開爾文（-273.05攝氏度）。早期對鐵磁超導體非均勻磁性的研究只考慮了電磁相互作用。然而，事實很快證明，這并不適用于當時已知的任何材料：交換相互作用總是占主導地位，這導致了對電磁機制的研究暫時中止。一旦以銪為基礎的鐵磁超導體成為可能，新的機遇就會出現(xiàn)，以摻磷銪、鐵和砷的化合物為例，其分子式為EuFe2As2。

使這種材料引人注目的是，破壞超導性的順磁效應在其中受到強烈抑制，電磁相互作用占主導地位。究其原因，p摻雜EuFe2As2中的鐵磁性是由銪原子4f殼層局域電子提供，而超導是由鐵的5d導電電子介導。在這種化合物中，銪原子位置使負責超導性的電子，相對獨立于負責鐵磁性的電子。這兩個子系統(tǒng)實際上是自治的，這就導致一個非常弱的交換場作用于傳導電子。EuFe2As2的順磁效應抑制意味著鐵磁性和超導性在相當寬的溫度范圍內共存。

因此，EuFe2As2是一種很好的材料，用于實驗研究，由于電磁機制的主導作用而出現(xiàn)奇異相，并同時顯示出這兩種不同的順序。例如來自MIPT和其他地方的實驗物理學家團隊使用這種材料，用磁力顯微鏡來觀察這些相的磁性結構?，F(xiàn)在，這些實驗數(shù)據已經被新提出的理論定性地解釋了。研究結果表明，隨著溫度的降低，具有正弦磁化剖面的非均勻磁結構逐漸轉變?yōu)楫犘徒Y構，在17.8~18.25開爾文之間的EuFe2As2在實驗中觀察到這種邁斯納結構。

該結構的周期被證明大大小于常規(guī)鐵磁體，這源于超導性的影響。進一步冷卻會引發(fā)一階躍遷進入鐵磁渦旋狀態(tài)，其特征是同時存在Abrikosov渦旋和鐵磁疇?？茖W家計算了這種轉變的參數(shù)。在超導體中，渦旋是一個以磁場為核心的實體，原因是由邁斯納效應流從外部屏蔽。科學家發(fā)現(xiàn)，渦旋狀態(tài)下磁疇大小與普通鐵磁材料中磁疇的大小基本相同。新研究中提出的理論還預測了一種新效應：區(qū)域壁面容納垂直于區(qū)域內的阿布里科索夫渦。

研究發(fā)展了鐵磁超導體中非均勻磁態(tài)的理論，其中超導性和鐵磁之間的電磁相互作用占主導地位。除了定性地描述在EuFe2As2中這種狀態(tài)的實驗數(shù)據，還預測了一種新效應，現(xiàn)在可以通過實驗來驗證。在這一點上，相關研究屬于基礎科學領域。但是，通過理解鐵磁性和超導性之間的相互作用，可以在以后設計混合器件，使用超導和鐵磁性材料，并便于自旋電子學的發(fā)展。

博科園｜研究/來自：莫斯科物理科學與技術學院

參考期刊《?物理評論快報》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.117002

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