超导“小时代”之三十三：铜铁邻家亲( 七 ) 作为新一代高温超导家族

图6 非常规超导体中的自旋共振能与超导能隙和临界温度的线性标度关系

图7 铜基和铁基超导体中自旋共振的“奇”“偶”调制模

电子关联强度。理解高温超导最大的困难，在于其电子和电子之间存在强烈的关联行为。对于电子—声子耦合方式形成的BCS 超导电性而言，电子配对主要是因为和晶格发生相互作用，因为配对电子实际上仍有相当远的空间距离(几倍甚至几十倍晶格单位长度)，电子和电子之间是不存在强烈的相互作用的。然而，到了必须考虑磁性相互作用的高温超导材料中，一切变得很不一样了。高温超导体中强烈的磁性相互作用，导致自旋磁矩静态上会形成反向排列的反铁磁态。假如挪动一个电子/空穴的位置，那么自旋和电荷是一起挪走的，相邻的两个位置就突然变成了同向排列的铁磁态，它将不得不尝试恢复反铁磁的状态——结果就是自旋磁矩发生翻转，诱发出一串自旋链条的“涟漪”——自旋涨落。因为自旋关联效应是非常强烈且长程的，结果就是“牵一发而动全身”，几乎材料中所有的电子磁矩都会为之动荡。此时，我们就称之为“强关联效应”，本质在于电子的势能远大于其动能。因为强关联效应的存在，我们不能再像传统的金属材料那样把电子看做“近自由”的，而是必须考虑集体效应，研究对象从 1，一下子就涨到了 1023(阿伏伽德罗常数)个，理论就此崩溃了。铜基超导体中的电子关联效应是非常之强的，导致高温超导微观机理迟迟得不到解决。而对于铁基超导体而言，这种关联效应则要弱得多，但比传统金属材料要强。如此中度关联的铁基超导体，对微观机理的研究来说是非常有利的，也是“桥梁”作用的重要体现之一。不过，不能高兴太早，因为铁基超导“中不溜秋”的特点，它也具有两面性——基于费米面附近的巡游电子和基于铁的局域磁矩同时对超导和磁性有贡献，两者很难区分你我，这又给铁基超导研究带来了新的烦恼。