高溫超導體中的自旋玻璃態

王雪 余亞斌? 孔凡寶

摘 要：近年來，隨著高溫超導材料的發展，特別是在銅氧化物高溫超導材料方面的研究進展，使得自旋玻璃態逐漸成為科學家研究的一個方向。自旋玻璃是一種非晶態磁性材料，對它的研究具有極大的科學意義和不可估量的潛在應用價值，自旋玻璃的應用非常廣泛，在絕大多數科研項目中都發揮了極其重要的作用，高溫超導就是其應用之一。該文從自旋玻璃態的一系列現象出發，研究分析了最近幾年來科學家們對自旋玻璃態的研究成果。

關鍵詞：自旋玻璃態 高溫超導體 銅氧化物

中圖分類號：O5 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2012）12（a）-00-01

自旋玻璃系統不同于其他系統，它包含著自旋，但是自旋取向卻是很復雜的，在自旋玻璃中存在著競爭，這種競爭發生在鐵磁性和反鐵磁性的磁矩之間，人們在研究合金的過程中發現了自旋玻璃現象，這就是自旋玻璃最初的起源，因此自旋玻璃原來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，競爭的存在是此系統的特點，其間的競爭是發生在鐵磁相互作用與反鐵磁相互作用之間的。這種磁系統最后會凍結，從而成為自旋玻璃態，其原因是溫度下降，使得磁系統內部發生了一系列復雜的變化，磁矩的取向發生了很大的變化。若從時間的觀點上看，所有磁矩轉動自由度消失，被凍結固定在一個方向上；若從空間觀點上看，這種凍結是雜亂無章的，磁矩分布的方向是無序的。

1 自旋玻璃態研究現狀

自從20世紀80年代初發現銅氧化物高溫超導體以來，越來越多的實驗表明該體系從反鐵磁絕緣體向超導體過渡過程中，出現了明顯的電子自旋玻璃態，甚至持續到超導的銅氧化物之中，因此人們對自旋玻璃從實驗上和理論上都進行了大量的研究。

1.1 自旋玻璃態相圖的研究

金屬到氧化物的轉變看起來像是一個自然的場，這個場中存在著自旋、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變像圖中，自旋玻璃態的相是很常見的，并且可以在其他情況下觀察到，這可以看成是一個自然的結果，這個結果是由于在這樣復雜的系統中具有化學摻雜而產生的無序狀態引起[2]。

磁性受挫可以理解為是局域反鐵磁改變的結果，這種改變是發生在三維反鐵磁長程序連接的銅離子之間，早期用摻雜的方法對自旋運動和其演變進行的觀察顯示出，完整的自旋玻璃態轉變過程發生在一個有限的反鐵磁領域，在不對稱但是磁性有序的相中發生聯合凍結。

因此，這個相通常指的是一個自旋玻璃團簇。這里已經很好的建立了動態自旋玻璃類型的行為，同時還討論了介觀物質的起源。

1.2 自旋玻璃態摻雜的研究

科學家們在低溫正常態金屬到絕緣體轉變的邊界的低摻雜旁邊的樣品中確定了正常態的高溫超導體是無處不在的，受到在超導相中的磁量子臨界點的影響。在Tc=8 K的溫度下，銅氧化物超導體La1.96Sr0.06CuO4單晶在溫度低于5 K時，從La的核磁共振弛豫現象中發現自旋玻璃態和超導相共存，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磁相，其中的一個相可以加強反鐵磁關聯，證明了反鐵磁團簇的本質是自旋玻璃[3]。

1.3 自旋玻璃態磁矩的研究

研究發現，在銅氧化合物La1.96Sr0.04CuO4中，磁化方式和磁化強度既具有標準自旋玻璃轉變特征的所有特點：不可逆性，剩余磁化，無序行為。磁矩產生了受自旋影響的很小的態密度。

自旋玻璃態是一種既同時具有鐵磁態和反鐵磁態，且鐵磁態和反鐵磁態是隨機分布的，自旋玻璃態的特點是受挫和隨機。

作為一種“復雜系統”的典型例子，人們對自旋玻璃態的分類進行了相當廣泛的研究，而且影響著和自旋玻璃態相近的領域。

對于三維的伊辛模型來說，目前已經建立了一個很成熟的模型，這個模型可以表現出在有限溫度下的平衡自旋玻璃轉變現象，尤其是，通過對Y2Mo2O7物質進行精細測試實驗的觀察，發現存在明顯的自旋玻璃轉變[4]。

2 結語

綜上所述，近年來隨著自旋玻璃態研究的不斷發展，銅氧化物高溫超導體中的自旋玻璃現象有了更多的理論基礎，這些成果都有助于對其進行更深入的研究，這對高溫超導體系的研究工作在一定意義上有很大的幫助，與鐵磁態和反鐵磁態不同，它們都具有長程序，然而自旋玻璃所表現出的合作行為確實令人奇怪，因為這種合作行為是發生在長程序的磁狀態

時的。

對于自然界中形形色色的復雜體系來說，自旋玻璃無疑可以作為一種典型的系統，若我們真正清楚的掌握了自旋玻璃的特性，認識了其所包含的自然規律，這對于我們研究其他復雜體系也是具有指導意義的。

參考文獻

[1] A.Malinowski，V.L.Bezusyy，R.Minikayev，et al.Spin-glass behavior in Ni-doped La1.85Sr0.15CuO4[J].Phys.Rev.B，2011，84（2）：024409.

[2] H.Alloul，J.Bobrof，M.Gabay，et al.Defects in correlated metals and superconductors[J].Rev.Mod.Phys，2009，81（1）：45-108.

[3] M.-H.Julien，F.Borsa，P.Carretta，et al.Charge Segregation，Cluster Spin Glass，and Superconductivity in La1.94Sr0.06CuO4[J].Phys.Rev.Lett，1999，83（3）：604-607.

[4] J.S.Gardner，B.D.Gaulin，S.H.Lee，et al.Glassy Statics and Dynamics in the Chemically Ordered Pyrochlore Antiferromagnet Y2Mo2O7[J].Phys.Rev.Lett，199，83（1）：211-214.