Only Perception: 研究者探索鐵超導體的磁性

2010-06-02

研究者探索鐵超導體的磁性

Researchers Explore Magnetic Properties of Iron-Based Superconductors
http://www.physorg.com/news158859865.html

April 13th, 2009

(PhysOrg.com) -- Naval Research Laboratory 的科學家提出理論模型來解釋鐵基超導體（iron-based superconductors）的正常磁力特性。這項研究發表在 2008 年 12/21 當期的 Nature Physics 上。他們的研究建立在一項更早的研究上，他們經指導為新近發現的鐵基超導體提出一種理論模型。那項較早期的研究則發表在 Physical Review Letters 中。

為了替 NRL 研究者最近的成就做好準備，得先回顧過去，下面三項是近五十年來，超導材料的重要發現：

-- 1988 的 high-Tc cuprates（銅氧化物高溫超導體）臨界溫度達到 160 K，
-- 二硼化鎂（Magnesium diboride，MgB2）2001，39 K 以及
-- 鐵基超導體（2008, 達 57 K）

在傳統的 BCS 超導體中，超導電性源自於「電子--離子交互作用」以及「超導序參數（superconducting order parameter）」對所有電子來說是一樣的，如圖 1a 所描繪的 "s-wave"。

Cuprates 當中的超導性被認為源自於電子--電子交互作用、磁性或庫倫（Coulomb，電荷單位）。相較於傳統的超導性，cuprates 當中的有序參數為 "d-wave"，變號則依賴電子移動方向（約略上，例如 cos2α），如圖 1b 所示。更別提過去 20 年來，研究 high-Tc cuprates 的論文已超過 10 萬篇。

許多人相信，MgB2 在超導材料領域中是下一個里程碑，因為在這裡的機制是傳統的（電子--離子），然而，臨界溫度卻比其他任何傳統超導體高，此外，在發現時，（溫度）僅次於 cuprates。MgB2 顯然是第一個多能隙（multigap）超導體例子，在此有序參數為 s-wave（未曾變號），對不同群（groups）的電子來說有著不同的強度（圖2）。此情況在理論上已由 NRL 預測，且很快就經由實驗獲得證實。雖然 MgB2 週遭的刺激程度從未完全達到 cuprates 的程度，不過 MgB2 仍在七年內產生了 4 千種出版物。

最近的突破在鐵基材料，例如 LaFeAsO、BaFe2As2 等，中發現高溫超導性。因為鐵為強磁物種，這些材料可望成為新超導體研究中的典範。事實上，這些新化合物的超導性與 cuprates 或 MgB2 非常不同已十分明確，而且鐵的強烈磁性很可能扮演著一種關鍵角色。在最初發現的幾個月之內，二位 NRL 科學家，來自材料科學與科技部門的 Dr. Igor Mazin 與 Dr. Michelle Johannes 與二位在 Oak Ridge 的研究者（均來自 NRL）共同研究，提出全新的超導態在 FeAs 超導體中實現，那被他們封為「s±」，在此，二群 s-wave 電子不僅磁序參數不同，就連符號也不一樣（圖3）。

支持 NRL 研究者提議的實驗證據已開始在累積，而且那是目前被視為最有可能的情節。他們的論文發表在 2008 年 3/19 投寄，於 2008 年 8/1 在 Physical Review Letters 上發表，並在 2008 年十二月為其他文章所引用，且被預印超過百次以上。這些新奇物質仍是物理學中最熱門的問題之一；自從他們發現後，以此為主題的論文平穩地以每天 2.5 篇的速率出現。如果此速率依然活躍，出版數將在四年內超越 MgB2。

超導性顯然不是這些所謂鐵氮族化合物（ferropnictides）唯一的謎。在未摻雜狀態中，它們以非常罕見的磁序圖案（ordering pattern）以及一種高度不穩定的、可測量的磁矩強度，展現出高度不尋常的磁性特性。事實上，經小幅修改後，這些材料可從差不多沒有磁性的狀態被迫到足堪與純鐵相媲美的強磁性。最驚人的是，磁轉變溫度（magnetic transition temperature）幾乎沒變。某些系統具有二種轉變：一種是有磁性的（ magnetic），另一種是在磁性上受驅使的結構性（structural）。但，這些會違反直覺地發生；結構性轉變會率先發生，而有磁性的，溫度會比較低。這些與其他許多特性無法被現有理論適切處理。

在 2008 年十二月的 Nature Physics 文章中，Mazin 以及 Johannes 博士提出一種高度不尋常的基態。他們指出，Fe 離子在鐵氮族化合物中總是有磁性，但可見的磁矩卻因反鐵磁磁域（antiferromagnetic domains）的形成（其邊界是動態的且具強烈地波動性）而大幅減少或完全被抑制。只有當這些磁域夠大且它們的磁域壁固定（pinned）時，其可見的長程有序性（long-range order）才會出現。當磁域邊界壓倒性地反相（antiphase）時，無可見長程磁性的結構性轉變才會出現，故即便那裡沒有長程有序性， x/y 對稱仍會遭到破壞。這種超導電組成 -- 在此「長程磁性」或「結構性變形」並沒有被觀察到與孿生磁域（twin domains）相關 -- 其動態邊界比較小。這種猜想將透過實驗證實，研究者將進入一種全新的磁刺激世界（拓撲學上磁域邊界的刺激），如果那對於鐵氮族化合物中的高溫超導性而言並非不可或缺的話，那很有可能會非常重要。

※ 相關報導：

＊ A key role for unusual spin dynamics in ferropnictides
http://www.nature.com/nphys/journal/v5/n2/abs/nphys1160.html