高溫超導(dǎo)體中的自旋玻璃態(tài)

王雪 余亞斌? 孔凡寶

摘 要：近年來(lái)，隨著高溫超導(dǎo)材料的發(fā)展，特別是在銅氧化物高溫超導(dǎo)材料方面的研究進(jìn)展，使得自旋玻璃態(tài)逐漸成為科學(xué)家研究的一個(gè)方向。自旋玻璃是一種非晶態(tài)磁性材料，對(duì)它的研究具有極大的科學(xué)意義和不可估量的潛在應(yīng)用價(jià)值，自旋玻璃的應(yīng)用非常廣泛，在絕大多數(shù)科研項(xiàng)目中都發(fā)揮了極其重要的作用，高溫超導(dǎo)就是其應(yīng)用之一。該文從自旋玻璃態(tài)的一系列現(xiàn)象出發(fā)，研究分析了最近幾年來(lái)科學(xué)家們對(duì)自旋玻璃態(tài)的研究成果。

關(guān)鍵詞：自旋玻璃態(tài) 高溫超導(dǎo)體 銅氧化物

中圖分類號(hào)：O5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2012）12（a）-00-01

自旋玻璃系統(tǒng)不同于其他系統(tǒng)，它包含著自旋，但是自旋取向卻是很復(fù)雜的，在自旋玻璃中存在著競(jìng)爭(zhēng)，這種競(jìng)爭(zhēng)發(fā)生在鐵磁性和反鐵磁性的磁矩之間，人們?cè)谘芯亢辖鸬倪^(guò)程中發(fā)現(xiàn)了自旋玻璃現(xiàn)象，這就是自旋玻璃最初的起源，因此自旋玻璃原來(lái)是指一些金屬或者合金，這些金屬或者合金中含有大量局域磁矩，競(jìng)爭(zhēng)的存在是此系統(tǒng)的特點(diǎn)，其間的競(jìng)爭(zhēng)是發(fā)生在鐵磁相互作用與反鐵磁相互作用之間的。這種磁系統(tǒng)最后會(huì)凍結(jié)，從而成為自旋玻璃態(tài)，其原因是溫度下降，使得磁系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生了一系列復(fù)雜的變化，磁矩的取向發(fā)生了很大的變化。若從時(shí)間的觀點(diǎn)上看，所有磁矩轉(zhuǎn)動(dòng)自由度消失，被凍結(jié)固定在一個(gè)方向上；若從空間觀點(diǎn)上看，這種凍結(jié)是雜亂無(wú)章的，磁矩分布的方向是無(wú)序的。

1 自旋玻璃態(tài)研究現(xiàn)狀

自從20世紀(jì)80年代初發(fā)現(xiàn)銅氧化物高溫超導(dǎo)體以來(lái)，越來(lái)越多的實(shí)驗(yàn)表明該體系從反鐵磁絕緣體向超導(dǎo)體過(guò)渡過(guò)程中，出現(xiàn)了明顯的電子自旋玻璃態(tài)，甚至持續(xù)到超導(dǎo)的銅氧化物之中，因此人們對(duì)自旋玻璃從實(shí)驗(yàn)上和理論上都進(jìn)行了大量的研究。

1.1 自旋玻璃態(tài)相圖的研究

金屬到氧化物的轉(zhuǎn)變看起來(lái)像是一個(gè)自然的場(chǎng)，這個(gè)場(chǎng)中存在著自旋、電荷和自由分布的晶格度之間的相互作用[1]，在金屬到氧化物的轉(zhuǎn)變像圖中，自旋玻璃態(tài)的相是很常見的，并且可以在其他情況下觀察到，這可以看成是一個(gè)自然的結(jié)果，這個(gè)結(jié)果是由于在這樣復(fù)雜的系統(tǒng)中具有化學(xué)摻雜而產(chǎn)生的無(wú)序狀態(tài)引起[2]。

磁性受挫可以理解為是局域反鐵磁改變的結(jié)果，這種改變是發(fā)生在三維反鐵磁長(zhǎng)程序連接的銅離子之間，早期用摻雜的方法對(duì)自旋運(yùn)動(dòng)和其演變進(jìn)行的觀察顯示出，完整的自旋玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變過(guò)程發(fā)生在一個(gè)有限的反鐵磁領(lǐng)域，在不對(duì)稱但是磁性有序的相中發(fā)生聯(lián)合凍結(jié)。

因此，這個(gè)相通常指的是一個(gè)自旋玻璃團(tuán)簇。這里已經(jīng)很好的建立了動(dòng)態(tài)自旋玻璃類型的行為，同時(shí)還討論了介觀物質(zhì)的起源。

1.2 自旋玻璃態(tài)摻雜的研究

科學(xué)家們?cè)诘蜏卣B(tài)金屬到絕緣體轉(zhuǎn)變的邊界的低摻雜旁邊的樣品中確定了正常態(tài)的高溫超導(dǎo)體是無(wú)處不在的，受到在超導(dǎo)相中的磁量子臨界點(diǎn)的影響。在Tc=8 K的溫度下，銅氧化物超導(dǎo)體La1.96Sr0.06CuO4單晶在溫度低于5 K時(shí)，從La的核磁共振弛豫現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)自旋玻璃態(tài)和超導(dǎo)相共存，Cu和La的核磁共振光譜顯示出在冷卻的條件下，CuO2平面逐漸分離成兩個(gè)磁相，其中的一個(gè)相可以加強(qiáng)反鐵磁關(guān)聯(lián)，證明了反鐵磁團(tuán)簇的本質(zhì)是自旋玻璃[3]。

1.3 自旋玻璃態(tài)磁矩的研究

研究發(fā)現(xiàn)，在銅氧化合物L(fēng)a1.96Sr0.04CuO4中，磁化方式和磁化強(qiáng)度既具有標(biāo)準(zhǔn)自旋玻璃轉(zhuǎn)變特征的所有特點(diǎn)：不可逆性，剩余磁化，無(wú)序行為。磁矩產(chǎn)生了受自旋影響的很小的態(tài)密度。

自旋玻璃態(tài)是一種既同時(shí)具有鐵磁態(tài)和反鐵磁態(tài)，且鐵磁態(tài)和反鐵磁態(tài)是隨機(jī)分布的，自旋玻璃態(tài)的特點(diǎn)是受挫和隨機(jī)。

作為一種“復(fù)雜系統(tǒng)”的典型例子，人們對(duì)自旋玻璃態(tài)的分類進(jìn)行了相當(dāng)廣泛的研究，而且影響著和自旋玻璃態(tài)相近的領(lǐng)域。

對(duì)于三維的伊辛模型來(lái)說(shuō)，目前已經(jīng)建立了一個(gè)很成熟的模型，這個(gè)模型可以表現(xiàn)出在有限溫度下的平衡自旋玻璃轉(zhuǎn)變現(xiàn)象，尤其是，通過(guò)對(duì)Y2Mo2O7物質(zhì)進(jìn)行精細(xì)測(cè)試實(shí)驗(yàn)的觀察，發(fā)現(xiàn)存在明顯的自旋玻璃轉(zhuǎn)變[4]。

2 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，近年來(lái)隨著自旋玻璃態(tài)研究的不斷發(fā)展，銅氧化物高溫超導(dǎo)體中的自旋玻璃現(xiàn)象有了更多的理論基礎(chǔ)，這些成果都有助于對(duì)其進(jìn)行更深入的研究，這對(duì)高溫超導(dǎo)體系的研究工作在一定意義上有很大的幫助，與鐵磁態(tài)和反鐵磁態(tài)不同，它們都具有長(zhǎng)程序，然而自旋玻璃所表現(xiàn)出的合作行為確實(shí)令人奇怪，因?yàn)檫@種合作行為是發(fā)生在長(zhǎng)程序的磁狀態(tài)

時(shí)的。

對(duì)于自然界中形形色色的復(fù)雜體系來(lái)說(shuō)，自旋玻璃無(wú)疑可以作為一種典型的系統(tǒng)，若我們真正清楚的掌握了自旋玻璃的特性，認(rèn)識(shí)了其所包含的自然規(guī)律，這對(duì)于我們研究其他復(fù)雜體系也是具有指導(dǎo)意義的。

參考文獻(xiàn)

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