研究進展:兼具超導和鐵磁性的材料

2021-02-25 今日新材料

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。

然而，基於銪的化合物現在成為了現在研究焦點，觀察銪的化合物表明可以同時表現出鐵磁性和超導性。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。當外場大於某一臨界值時，屏蔽電流所增加的能量超過冷凝能量。使它變得更有利於超導體過渡到正常狀態，並允許場進入體。由於鐵磁體典型磁化強度遠大於超導體的臨界磁場，均勻鐵磁性破壞了超導性。

新的研究表明，一種材料可以同時表現出鐵磁性和超導性，只要其中一種有序狀態是不均勻的。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。不幸的是，對於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）。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，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，電磁相互作用佔主導地位。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。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為疇型結構，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。研究發展了鐵磁超導體中非均勻磁態的理論，其中超導性和鐵磁之間的電磁相互作用佔主導地位。除了定性地描述在EuFe2As2中這種狀態的實驗數據，還預測了一種新效應，現在可以通過實驗來驗證。在這一點上，相關研究屬於基礎科學領域。但是，通過理解鐵磁性和超導性之間的相互作用，可以在以後設計混合器件，使用超導和鐵磁性材料，並便於自旋電子學的發展。

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