异型结构铁磁超导体的临界效应.doc

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1、异型结构铁磁超导体的临界效应REVIEWOFMORDERNPHYSICS,VOLUME77,JULY20051.序言由于单重态超导和顺序铁磁性的不共存性，它们二者不能够同时大范围存在于物质中。直到1956年时，Ginzburg提出的轨道机理解释了磁化和超导共存的问题。在轨道理论中，超导性是被抑制的。而当Bardeen，Cooper，和Schrieffer于1957年共同提出了BCS理论后，单重态的超导也同样可以被交换场理论破坏。当处于磁化状态时，交换场中的Cooper对趋于取相同的自旋方向，从而抑制了电子的成对效应。这就是所

2、谓的顺磁化效应。1959年时，Anderson和Suhl又证实了铁磁有序化是不可能在超导相中出现的。这其中的主要原因是当处于超导状态下时，电子顺磁感应的0波矢量组分是被抑制的。在这种状态下，使得铁磁有序化的能量就会降低，然而此时却出现的是非单一磁化，而不是有序铁磁体。Anderson和Sulh把这种状态称为“隐性铁磁”。1977年，稀土化合物Rh4B4及Mo6X8(X可为S,Se等)的发现为超导和磁性在同一个化学计量化合物中的存在提供了实验证实。实验发现，许多这些超导体系是与抗铁磁性的，而且它们的Néel温度TN小于其居里温

3、度Tc。而在更近期的一些金属嵌入式化合物超导性的发现(如Ni2B2C)也提供了其他的抗铁磁性和超导性的共存。因此事实上，超导性和抗铁磁性是可以共存的。正如Anderson和Suhl所预言的，在居里温度时，非单一的磁化态化合物中出现了。这些化合物的存在已经被中子衍射实验所表征证明了。这种磁性结构的周期要比超导体连续存在的时间短，但在空间尺度上又比分子中原子间的间距大。所以在一定程度上，这种结构是超导和铁磁的一个折中：从超导性的一个方面看来，这种结构是抗铁磁的；而从磁化性质的一个方面看来，它又是铁磁的。归结到理论的分析，并考虑轨

4、道和交换机理以及磁化各向异性，可以知道在一段很短的时间内，这种共存相是晶体中的一个主导存在的结构。这种超导与磁化的共存形态在ErRh4B4和HoMo6S8中存在的还比较有限，但在HoMo6Se8中这种主导存在形式可以一直维持到T=0K。尽管单重态超导和铁磁不太可能在化合物中大量的存在，然而这在人工改性的层状铁磁/超导(F/S)体系中却是较容易达到的。由于“临近效应”(将在后面讨论到)，Cooper对可以钻穿F层并且在钻穿处诱发超导。在这种情况下，我们就可以有很好的机会研究超导电子在巨大交换场中的性质。并且，通过改变钻穿层的厚

5、度我们还可以控制两个竞争力量的相对的调制强度，从而对超导和磁性的相互作用影响进行深入研究。注意到在纳米尺度上的S/F结构中超导和铁磁的这些有趣的现象，然而相关的发现知道近期才出现是由于在高品质的F/S杂交体系预备中的实验上的巨大进展。而实验的进步和其潜在的利用价值又反过来刺激催生了异型结构中超导和铁磁相互作用研究的兴趣。现在看来适时回顾这一领域的研究进展和放眼未来工作的发展是非常必要的。2.顺磁极限和非单一相的定性解释A.顺磁极限对于单纯的顺磁效应而言，一种超导体的顺磁磁化场极限Hp可以通过比较其基态电子自旋极化能量的改变△

6、En和超导凝聚能量△Es来得到。当处于基态时，电子气因在磁场中极化而发生能量的改变：△En=-χH2/2另一方面，在没有极化作用的超导体中，BCS成对能的降低为△Es=-N(1.76Tc)2/2。从需要满足的条件△En=△Es，就可以找到在温度T=0K时的该超导体的顺磁极限场HI=1.244Tc/μB(μB代表玻尔磁子)这就是从常态到超导态的一级相变临界场。1969年的完整的分析表明在T=0k时，这个临界场比二级相变的临界场要高。然而，1964年时Fulde，Ferrell，Larkin和Ovchinnikov预言了在纯顺磁

7、效应的理论框架下，非均一超导态在正弦超导调制参量条件下的存在。在这种FFLO状态时，Copper对与在普通的超导体中相比，是具有一定的动量的。而近来一段时间，Casalbuoni和Nardulli对非单一超导在低温高质密凝聚态物质和量子色动力学理论的评论也证明了这一点。三维超导体在纯顺磁效应模型下的T-H相图如图中所示。在温度T*=0.56Tc时，介质从常态到非均一超导的FFLO态的二级相变发生。图中粗线表示从常态到均一超导态的一级相变，虚线表示的则为从二级物象到非均一超导态的转变。至今为止，还没有确切的实验表明这种状态的存

8、在。但近期的在类似的二维平面有机化合物导体(BETS)2FeCl4中磁诱发超导现象的发现却为FFLO态的形成提供了极佳的选择。B.FFLO相的出现在FFLO超导态中的相变参数调制的物理起源是什么？这种相变调制的参数其来源是磁场对电子自旋作用的Zeeman分裂相关的。为了说明这个问题，我们来