超导“小时代”之三十三：铜铁邻家亲( 五 ) 作为新一代高温超导家族

图3 铜基和铁基超导的“最简相图”对比

图 4 高温超导体中的“电子液晶相”(上)及其对称性(下)(来自phys.org)

磁性与自旋涨落。既然铜基和铁基超导电性都起源于对反铁磁母体的掺杂，而且超导往往出现在反铁磁被部分甚至全部抑制之后，那么磁性物理(包括磁结构和磁激发)的研究，对理解高温超导微观机理就至关重要了。事实上，不仅是高温超导体，对于重费米子超导体和有机超导体等非常规超导材料而言，都有类似的电子态相图，说明磁性相互作用具有非常重要的角色。回顾常规金属合金超导体中的BCS微观理论，就可以发现，其实之前仅仅考虑了电荷相互作用——带负电的电子和带正电的离子实之间的库仑相互作用，使得两个电子之间通过交换虚声子而发生配对。到了高温超导，自旋已经成为不得不考虑的一个重要因素，电荷+自旋的超导配对机理问题也就变得异常复杂起来。对于铜基超导体母体，其反铁磁结构为“奈尔型”，即Cu的四方格子上只要相邻的两个磁矩都是反平行的。对于铁基超导体母体，其反铁磁结构多为“共线性”，即沿 a方向为反铁磁的反平行排列，但是沿着90°的另一个 b方向则是铁磁的平行排列，反铁磁态下磁结构和晶体结构都是面内二重对称的。注意铁砷基超导材料和铁硒基超导材料的磁结构也存在区别，后者可以是“双共线型”、“块状反铁磁型”、“准一维自旋梯型”等特殊结构。反铁磁长程有序结构的存在，意味着强烈的磁性相互作用，它也会在动力学上呈现很强的磁激发(自旋涨落)，其激发能量尺度大约在 200 meV 左右，铜基和铁基两者的母体磁激发(即自旋波)无论是强度还是色散关系都非常相近(图5)。