mile米乐m6官网 实现超导体中自旋排列的控制

8093_8285铁基磁性高温超导体铕铒铁₄作为₄的超导性和铕 (Eu)磁性共存，磁通量量子按方向旋转方向的现象，并成功地利用该现象控制了自旋排列。

一般来说，超导和磁性是相互竞争、不可调和的关系。 AIST 最近发现了 EuRbFe₄作为₄具有两种物质在高温下共存的极其罕见的特性，作为可能发生新现象的材料而受到关注。新发现的现象表明，磁通量子中的信息可以反映在超导体内的自旋信息中，并且可能在记忆功能等方面有应用。超导器件的记忆功能近年来引起了人们的关注超导量子计算机的开发课题之一，有望带来实现高速、低功耗、全超导电路的基础技术。

这项技术的详细信息将于2021年9月6日（美国东部标准时间）发表在美国学术期刊《美利坚合众国国家科学院院刊''（《美国国家科学院院刊》）。

近年来，人们对基于量子力学原理的技术（以下简称“量子技术”）越来越感兴趣，这种技术提供了超越传统技术的性能和功能。举个例子，在有望执行超高速计算的量子计算机中，超导量子位作为操作员超导量子电路正在引起人们的注意。另一方面，利用磁性（自旋）的量子技术在记忆功能方面处于领先地位，超导量子电路尚未建立。如果磁性可以用于超导材料，就有可能创建超导存储器，这有望提高量子计算机的性能并创造现有存储器中未发现的新功能。

然而，超导性和磁性具有相互竞争的特性，它们很难在同一材料中共存并发挥作用。非常罕见地存在同时表现出超导性和磁性的材料(以下称为“磁性超导体”)。然而，现有的磁性超导体临界温度（T_c) 非常低，低于 1 K（开尔文：绝对温度），或者T_c据报道，只有在施加小于 1 T（特斯拉：磁场单位）的弱磁场时才会失去超导性。为了实际使用具有超导和磁功能的潜力的磁性超导体作为器件材料，T_c即使施加磁场也不会失去超导性。

AIST 和井村日本更高T_c4作为₄铕铒铁₄作为₄高达 37 KT_c在15K以下与Eu磁性共存。在如此高的温度范围内表现出超导和磁性共存的材料极为罕见，不仅作为学术研究课题很有趣，而且作为同时具有超导和磁性的器件材料具有潜在的应用前景。因此，EuRbFe₄作为₄的物理特性处于超导与磁性共存状态。

这项研究得到了独立行政机构日本学术振兴会科学研究补助金 19K15034 (2019-2020)、19H05823 (2019-2023) 和 16H06439 (2016-2020) 的支持。

EuRbFe₄作为₄具有晶体结构，其中负责超导性的铁砷（FeAs）层和负责磁性的Eu层堆叠在一起。其磁结构是铁磁排列，其中自旋方向在每个Eu层中对齐，并且自旋方向以每次旋转90度的螺旋形状堆叠（以下称为“螺旋磁性”）。螺旋磁力作为一个整体内部磁场被抵消了，据说比较容易与超导共存。另一方面，当施加外部磁场时，磁通量子进入超导体，Eu的自旋从螺旋磁性重新排列为铁磁性。此前，人们认为，如果外部磁场从这种状态返回到零，材料就会重新排列到原来的螺旋磁性，这与超导性兼容（图1）。

这次是 EuRbFe₄作为₄单晶样品与科学研究综合研究组织（CROSS）合作创建高强度质子加速器设施 (J-PARC)，在材料与生命科学实验设施 (MLF) 的特殊环境小型单晶中子结构分析仪 (SENJU) 的磁场中中子磁衍射实验结果，EuRbFe₄作为₄施加强磁场，然后磁场恢复为零，样品中的大部分自旋仍保持铁磁排列。这是 EuRbFe₄作为₄中，即使外部磁场为零，磁通量量子也被捕获在样本内，这表明自旋通过这些通量量子铁磁排列。他们成功地捕捉到了一种新现象，即原本与超导不相容的铁磁排列被超导产生的磁通量量子稳定化。

此外，AIST 和维也纳科技大学认为，通过利用这种现象，可以利用磁通量量子来控制自旋方向。通过对超导体适当施加外部磁场，可以控制超导体内的磁通量分布。例如，如果先施加向下的磁场，然后再施加向上的磁场，则在超导体的中心和两端会产生相反方向的磁通量子，如图2所示。自旋的方向由磁通量子的方向决定，因此在向上（向下）磁通量子分布的区域，自旋变成向上（向下）铁磁性，而在没有磁通量子的边界区域，原来的自旋变为向上（向下）铁磁性。假设为螺旋磁性。此外，每个区域的宽度和位置由外部磁场的施加过程和强度决定。

有了这一发现，即使外部磁场被移除，图 2 所示的状态也能保持，从而可以创建具有任意自旋排列的超导体。此外，当从图2所示的状态加强向上的外部磁场时，向上的磁通量子的区域向中心扩展，而向下的磁通量子的区域变窄。这样，也可以控制旋转排列。

使用这样的模型，EuRbFe₄作为₄磁化强度的响应（由样品内部磁通量量子和自旋的方向和分布决定）到外部磁场（图 3，左）。黑线表示当磁场在±1T范围内变化时磁化强度对外部磁场的依赖性（箭头表示施加磁场的过程）。可以看出，当磁场从足够大的正（向上）磁场降低到零（箭头1）时，磁化强度值没有变化。这对应于整个样品中自旋保持向上铁磁排列的事实。当磁场从负磁场（箭头3）返回到零时，它变成向下的铁磁排列。蓝线、绿线、橙线和红线分别是在0、-02、-05和-1 T处从正磁场变为负磁场（箭头1和2），并切换到如箭头5至8所示增加磁场的过程时的计算结果。结果表明，根据折叠磁场的条件，即使在相同的外部磁场下，样品中磁通量子的分布也不同，从而导致较大的变化在行为上。

当我们实际测量磁化强度时，实验结果（图 3，右）和模型计算非常吻合。这表明磁超导体中的自旋排列是由磁通量量子的方向和位置控制的。

理论上已经提出超导体中磁通量子的信息（方向和位置）可以反映在自旋信息中，但这次我们用磁超导体成功地证明了这一点。该结果具有应用于存储功能等的潜力，并且有望导致实现高速且低功耗的全超导电路器件的基本技术。

为了阐明这次发现的现象的机制，我们将进行更详细的实验并构建理论。我们还致力于开发磁通量量子方向和位置的精确控制等基础技术，以期应用于超导器件。

◆铁基磁性高温超导体

一组表现出超导性的含铁层状化合物被称为铁基高温超导体，因为它们具有较高的临界温度。其中，一组含有表现出磁性的层（在本例中为Eu层）的材料被归类为磁性超导体，其中超导性和磁性共存，并且从基础和应用角度都引起了人们的关注。[返回来源]

◆超导

当某种物质处于低温时，其电阻在一定温度（临界温度）下变为零。此类材料称为超导体，用于医疗 MRI、直线电机汽车和其他应用。超导体表现出排除磁场的特性（迈斯纳效应），但当磁场变强时，它会侵入超导体的内部。超导体的特点是进入其中的磁场不是均匀的，而是以磁通量量子的形式离散分布。[返回来源]

◆磁性

物质中原子的自旋方向可以在整个物质中对齐。根据自旋的排列方式，例如，如果自旋指向相同方向，则称为铁磁性；如果自旋指向相反方向，则称为反铁磁性；如果自旋排列成螺旋状，则称为螺旋磁性。[返回来源]

◆磁通量量子

通常情况下，磁通量取连续值，但当磁通量被限制在超导环内部时， φ₀=h/2e（h：普朗克常数，e：基本电荷）是量子力学物理常数，仅具有整数倍。这称为磁通量量子化，其最小单位为 φ₀称为磁通量量子。[返回来源]

◆旋转

电子所拥有的量子力学自由度之一以及旋转等性质称为自旋。自旋是磁力的来源，自旋有两个自由度：向上和向下。[返回来源]

◆超导量子计算机

传统计算机使用0或1两种状态来执行计算，而量子计算机使用量子力学叠加态（0和1状态）来执行计算。使用超导量子位作为执行量子计算的电路的基本组件的计算机称为超导量子计算机。[返回来源]

◆超导量子位

量子计算中处理的最小信息单位称为量子位。已经提出了各种用于实现量子比特的候选方案（半导体、光学、离子等），并且那些使用超导元件的被称为超导量子比特。[返回来源]

◆超导量子电路

执行量子计算的电路，由超导量子位和超导谐振器等超导元件组成。[返回来源]

◆临界温度

在超导体中，标志着超导状态和常导状态（出现有限电阻的金属状态）之间边界的温度。[返回来源]

◆内部磁场

由于磁性而在物质中产生的磁场。在铁磁性中，自旋指向同一方向，因此内部磁场很大；在反铁磁性和螺旋磁性中，由于自旋之间的抵消，内部磁场变为零。[返回来源]

◆单晶样品

晶体轴在样品的所有部分都对齐的样品称为单晶样品。铕铒铁₄作为₄之类的层状化合物中，层与层之间以及层与层之间的物理性质不同，因此单晶样品对于精确的物理性质测量至关重要。[返回来源]

◆高强度质子加速器设施（J-PARC）

这是日本原子能机构和高能加速器研究机构在茨城县东海村联合建造的一组世界上最大束流强度的质子加速器和实验设施的统称。 J-PARC 这个名字来源于“日本质子加速器研究中心”。利用加速质子与核靶碰撞时产生的中子、μ介子、介子、中微子等二次粒子，在材料与生命科学、核与粒子物理等领域开展前沿学术研究和工业应用。
J-PARC 内的材料与生命科学实验设施 (MLF) 可以使用世界上最高性能的脉冲中子束和介子束进行实验。[返回来源]

◆中子磁衍射实验

中子不带电荷，但有自旋。当中子束施加到材料上时，它会被材料中的自旋散射，从而可以获得有关材料内部磁性的信息。[返回来源]