在固體材料里，有兩個電磁學現象總是冤家路窄，那就是超導和鐵磁性。但是，最近有科學家聲稱把它倆撮合在了一起，還互動起來了。這是怎么回事？在將來又會有什么重要用途？

說到超導，大家可以簡單理解為“超級導電”。也就是說有一些材料在某個溫度之下，導電能力非常強，強大到電阻徹底消失為零。超導體不僅有絕對的零電阻，它還有完全的抗磁性。也就是說，它對外磁場的響應是負的，而且負的很徹底，一旦完全進入超導的狀態，所有外磁場都被排出體外了，抗磁體積達到100%。超導體的抗磁性是最強大的抗磁，跟自然界其他的抗磁材料對比就知道高下，比如熱解石墨，它的抗磁體積才只有0.04%，我們生活中常見的水也是抗磁的，但是抗磁體積只有可憐的0.001%，也就是十萬分之一。

至于鐵磁性，就是大家常說的磁鐵的磁性，本質上就是材料內部的原子存在磁矩，它們整齊劃一排列起來了，形成了一個小磁疇，也就是一個小塊的磁鐵。然后這些磁疇又再整齊排列起來，這叫“自發磁化”，這樣材料整體就具有很強的磁性了。最強的永磁鐵是釹鐵硼，可以達到0.5T左右，吸住你的鑰匙都很難拔下來。

為什么說超導和鐵磁是“冤家路窄”呢？ 這是因為超導體可以實現零電阻和完全抗磁性的重要原因是其內部的導電電子發生了“配對相干凝聚”，也就是動量相反的一對對電子手牽手，這些電子對還以共同的節拍運動形成一個整體，有個高大上的名詞描述它們，叫做“宏觀量子凝聚態”。而磁場，就是破壞這種宏觀量子凝聚態的幕后黑手，當磁場不太強的時候，電子集體可以抵御它們，所以輕松達到完全抗磁。但是，一旦磁場進入超導體內部，電子對們就要想辦法抵消它。如果磁場再強大一些，電子對就承受不住磁力的拉扯，最終要被拆散，超導的零電阻就隨之徹底被破壞了。

正是如此，我們一般很少去鐵磁的材料里面探索超導電性，也很少把超導體和鐵磁體放到一塊兒去用。但是最近荷蘭代爾夫特理工學院的科學家們就十分有創意地把超導體放在了鐵磁材料的結構里，而且還借助超導體的強大抗磁性，改變材料內部磁性相互作用。實驗觀測到的效果就是，改變了鐵磁自旋波——也就是鐵磁磁矩在微觀尺度上的舞蹈，它具有波的特性。超導抗磁性的介入，讓它們的波長和傳播方向發生了改變。這是怎么做到的呢？

他們選擇了一種十分常用的鐵磁材料——釔榴石，這種材料鐵磁性很強，而且在低溫下可以清晰看到自旋波。“看”的方法也十分先進，用的是金剛石色心成像。因為金剛石經常會含有少量的氮原子空位，而且對磁場十分敏感，可以借助光學的方法觀測金剛石光譜的變化，就能判斷那個位置有沒有磁場以及磁場的強度。簡單來說，就是往透明膜上撒一層細細的金剛石小晶粒，然后拍照就行了，這個方法看起來有點“土豪”，但是也沒有你想象的那么貴。

實驗方案示意圖

接下來，他們在釔榴石表面覆蓋了一層鉬錸（MoRe）合金超導體，臨界溫度為8.7K，在超導體兩邊搭建了一個金橋，用來架空金剛石色心探測陣列。在超導溫度以上，也就是10.7K的時候，他們看到了一條條細細的條紋，那就是鐵磁自旋波——鐵磁磁矩在微觀尺度上的舞蹈，它具有波的特性，所以就像一條條水波紋一樣。然后，降溫到5.5K，鉬錸合金就超導了。這個時候，強大的抗磁性使得自旋波朝兩邊擠，超導體下方自旋波的花紋變得稀疏，也就是波長變大了；超導兩側的花紋則變得略微密集了一些，也就是波長變短了。研究人員還巧妙設計了器件的結構，發現鐵磁自旋波的方向或許可以發生改變，比如讓超導體充當一面“鏡子”，就像反射光那樣，把自旋波反射回去，反射回去的自旋波還可能與入射的自旋波發生干涉，十分有趣。

實驗測量結果

他們基于理論模型和實驗數據，還得到了超導體的倫敦穿透深度，這與衡量超導體負責導電的電子對密度的重要物理參數相關，也可以用來研究超導機理。未來有可能更進一步設計出各種超導的“反射鏡”、“透射鏡”、“光柵”、“濾波器”、“光纖”等等來控制鐵磁自旋波，開啟磁通器件調控的新大門。

不過，超導并不是和所有的自旋波都不相容，如果材料體系是反鐵磁的，那么反鐵磁長程自旋波的存在通常和超導是競爭的，但是，短程的反鐵磁漲落卻可能是幫助超導來配對的。換句話說，如果磁性原子不要跳整齊劃一的廣場舞，而是男女搭配在小范圍跳華爾茲的話，那么超導還是會愛上這種旋律的。反鐵磁漲落幫助下的超導配對，溫度可以達到很高，我們熟知的高溫超導體，包括銅氧化物和鐵基高溫超導體，就屬于這一類。

既然超導和鐵磁自旋波不再互不兼容，那么未來我們或許可以期待更多的超導與磁性的復合體，構造出更方便、更好用的電磁學元器件。

作者：中國科學院物理研究所羅會仟

審核：中國科學院物理研究所研究員郭靜 

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