量子科学打开超导大门：可利用自旋电流控制超导电性学术资讯

▲科学家利用自旋极化扫描隧道显微镜（Cr探针）研究C2磁序的超导体表面。极化电流可在局部诱导C4磁序。C4状态下的低能量自旋涨落无法介导电子之间的配对时，超导现象消失。

美国和韩国科学家发现，利用电子显微镜可以使一种铁基超导体（下文简称IBS）的局部区域在超导和非超导态之间翻转。相关研究成果发表于12月1日刊发的《物理评论快报》中。该研究将为超导体的认识和应用提供新思路。

作为该研究中多种神奇的材料的一种，IBS具有在低于某温度时几乎零电阻导电的性能。目前，科学家仍在对该材料电/磁行为进行复杂的原子水平上的研究。尤其值得关注的是，IBS显示的奇特性质与超导性和磁性的共存有关。科学家研究了由锶（Sr）、钒（V）、氧（O）、铁（Fe）和砷（As）等元素构成的化合物，这种化合物由交互的FeAs和Sr2VO3层组成。

研究人员利用自旋极化扫描隧道显微镜（SPSTM①）检测了IBS的磁性和电性能。研究中，电流处于自旋极化状态，即其电子倾向于具有相同的自旋——一个电子造成的微型磁场，可像磁铁条一样指示方向(“上”或“下”)。

通常，IBS的FeAs层具有强超导性，并有特定的磁化顺序（简称磁序）倾向（C2磁序）——这都基于它的原子磁场（反过来讲，也基于电子自旋）。SPSTM测试结果显示，在注入的自旋极化电流足够高的情况下，可诱导FeAs层出现不同的磁序（C4磁序）。在同样的局部区域，超导性神奇的消失了。

“据我们所知，这既是首次利用局部探针在实体空间观测到这一现象，也是首次从原子级别证实了磁性与超导性之间的相关性。”Jhinhwan Lee（论文通讯作者、韩国先进科学技术研究所物理学家）在接受Phys.org采访时讲道。Lee及其团队使用反铁磁性铬②（Cr）探针的SPSTM研究了自旋电流控制超导性。他们将Cr探针与未极化的钨（W）探针的检测结果进行比较发现，在低偏置电压下，扫描结果接近。而当偏置电压升高（Cr探针），样品表面开始改变，显示出C4磁性对称。即便偏置电压再次降低，C4磁序也不会改变。尽管在经过特定温度下的热退火（热处理）后，C4磁序也会消失——但在该温度下，FeAs的任何磁序都会消失。Lee及其团队对此的解释为：C4状态下的低能量自旋涨落无法介导电子之间的配对。这是至关重要的，因为这种情况下的电子配对，违背了其相互排斥的规则，最终导致了超导性。

目前，在这方面存在着两种理论，一是基于自旋涨落的配对理论，这主要针对铁基超导体中的电子配对。二是假设电子轨道中的涨落是关键。Lee及其团队认为其研究结果至少在超导体中倾向于支持前者。

Lee对此作出了展望：“我们的研究成果可能将会延伸至利用自旋极化(非极化)电流控制磁性与超导性，并对反铁磁性记忆器件和超导控制晶体管的制造产生一定影响。”

注解：

①一种精密仪器，其原子能化金属探针与样品并不接触，保持量子级的距离，二者之间施加的偏置电压使电流在探针与样品之间流动。

②反铁磁性材料自身原子的磁场以上-下交替的模式排列，因此它拥有的迷你杂散磁场可以在无意间消除局部超导性。这种情况在铁磁性探针（如其他SPSTM研究人员使用的铁探针）中也会发生。

科界原创

编译：雷鑫宇审稿：三水编辑：程建兰

来源：https://phys.org