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科研进展

《自然-通讯》报道中心研究成果:自旋超导和它的类金兹堡-朗道理论

超导由Onnes于1911年首次发现,至今超导已成为物理学中的一门重要学科。它不仅促进物理学自身的发展,而且有广泛应用价值,对人们生活改进起到了推动作用。超导体有两个最基本性质:一是零电阻现象,即电流可以无耗散地流过超导体;另一是Meissner效应,即超导体具有完全抗磁性。此外,超导还有很多重要现象,如Josephson效应、磁通量子化等。描述超导的理论有BCS理论、金兹堡-朗道理论、London方程等。

我们知道,电子具有电荷和自旋自由度。但在很长的一段时间里,人们只关注与电荷相关的性质,而忽视了自旋自由度。在近十年来,人们发现电子自旋有很多优异性质,从而逐渐得到重视,并取得了重大研究进展。人们发现,一些与电荷有关的效应,有与之相对应的自旋有关效应;例如与量子Hall效应相对应的是量子自旋Hall效应(拓扑绝缘体)。

2011年,中心成员孙庆丰教授、谢心澄教授等人开创性地提出自旋超导的概念[Phys. Rev. B 84,214501(2011); Phys. Rev. B 87,245427(2013)]。自旋超导态是一种与(电荷)超导态对应的新型宏观量子态。自旋超导有两个基本性质:一个是零自旋阻现象,即自旋流能够无耗散地流过自旋超导,但它对电荷来说是绝缘体;另一个是电Meissner效应,即自旋超导体会屏蔽电场梯度。作者还首次推导出自旋超导的类London方程、类BCS理论,和预言了自旋流Josephson效应。并指出铁磁石墨烯(或者高磁场下的石墨烯)、一些三维铁磁材料、氦3、以及磁性原子的Bose-Einstein凝聚体等,在低温时有可能成为自旋超导。

最近,本协同中心的博士生鲍志强(中科院物理所),谢心澄教授(古天乐代言太阳集团网址)和孙庆丰教授(古天乐代言太阳集团网址)一起研究了自旋超导的类金兹堡-朗道(Ginzburg-Landau,GL)理论。并且证明第二类GL方程和推广的London方程是等价的。特别是,这类GL方程是普适的,能应用到各种自旋超导体来研究它的各种性质。在文章中作者用类GL方程计算了带电导线电场下的超自旋流(见图1),并证实电Meissner效应。此外,他们利用类GL方程分析了自旋超导体的三个特征参数;并预言了交流自旋流Josephson效应,即一个不随时间变化的磁场能诱导出一个随时间交变的自旋流。这项工作发表在《自然-通讯》杂志上:Ginzburg–Landau-type theory of spin superconductivity,Nature Communications 4, 2951 (2013)。

图1. (a) 带电细导线下的自旋超导体薄膜,粉色的箭头表示超自旋流的流向。(b) 电场的变化量∂zEz,
电场诱导出的超自旋流j, 等效电荷Q和位置坐标x的函数关系。∂zEz被Q抵消,这正是电Meissner效应。

以上这些工作有潜在发展为物理学中一门学科的可能性。

这些研究工作得到国家自然科学基金和国家重点基础研究发展规划(973计划)相关项目的资助。

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