超导“小时代”之三十三：铜铁邻家亲( 六 ) 作为新一代高温超导家族

图5 铜基和铁基超导母体材料磁结构和磁激发谱对比

高温超导体中磁性与超导的密切关系，不仅体现在静态的相图中反铁磁序和超导态之间的共存和竞争，还体现在动态的磁激发中对超导态的响应。主要包括两个方面，一是进入超导态之后因为超导能隙的形成，费米面附近的电子态密度丢失，磁激发在低能段也会消失，形成所谓“自旋能隙”；二是进入超导态之后，在某个能量附近的磁激发会得以增强，其温度响应关系就像一个超导序参量，这个现象称之为“自旋共振”。自旋共振其实就是超导体中库珀电子对的一种集体激发模式——当其中一个电子自旋发生翻转时，与其配对的电子也会发生反应，而量子相干凝聚的电子对群体也会随之一起响应，形成电子—空穴对的一种激发态，也即自旋态发生了共振。非常令人惊奇的是，对于铜氧化物来说，几乎所有的超导体系都存在自旋共振现象，而且共振的中心能量与 Tc成一个 5倍左右的线性正比关系，这个关系在铁基超导体中仍然成立。不仅如此，考虑到某些材料可能具有多个共振模式和超导能隙，可以发现自旋共振能量也和超导能隙成线性正比，比例系数为 0.64 ( 图 6)。可以说，自旋共振是高温超导体乃至几乎所有非常规超导体的 “ 磁性指纹”，是磁性参与超导电性过程的最为有力的证据。因为共振能量低于超导能隙，所以共振就是超导态下能量尺度以内的一种行为。而且，对于双层的铜氧化物材料(YBa2Cu3O7-x、Bi2Sr2CaCu2O8+x等)来说，自旋共振会存在强烈的垂直 Cu-O 面 c 方向调制，发生两类“奇”“偶”调制模。同样的现象最近刚刚在铁基超导体中被观测到，说明两者存在共同的起源(图7)。即使进入超导态，长程的反铁磁序消失了，仍然存在很强的自旋涨落，导电层间存在较强磁性耦合相互作用，这或许就是高温超导形成的关键所在。