高温超导体中的自旋玻璃态

王雪 余亚斌? 孔凡宝

摘 要：近年来，随着高温超导材料的发展，特别是在铜氧化物高温超导材料方面的研究进展，使得自旋玻璃态逐渐成为科学家研究的一个方向。自旋玻璃是一种非晶态磁性材料，对它的研究具有极大的科学意义和不可估量的潜在应用价值，自旋玻璃的应用非常广泛，在绝大多数科研项目中都发挥了极其重要的作用，高温超导就是其应用之一。该文从自旋玻璃态的一系列现象出发，研究分析了最近几年来科学家们对自旋玻璃态的研究成果。

关键词：自旋玻璃态 高温超导体 铜氧化物

中图分类号：O5 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2012）12（a）-00-01

自旋玻璃系统不同于其他系统，它包含着自旋，但是自旋取向却是很复杂的，在自旋玻璃中存在着竞争，这种竞争发生在铁磁性和反铁磁性的磁矩之间，人们在研究合金的过程中发现了自旋玻璃现象，这就是自旋玻璃最初的起源，因此自旋玻璃原来是指一些金属或者合金，这些金属或者合金中含有大量局域磁矩，竞争的存在是此系统的特点，其间的竞争是发生在铁磁相互作用与反铁磁相互作用之间的。这种磁系统最后会冻结，从而成为自旋玻璃态，其原因是温度下降，使得磁系统内部发生了一系列复杂的变化，磁矩的取向发生了很大的变化。若从时间的观点上看，所有磁矩转动自由度消失，被冻结固定在一个方向上；若从空间观点上看，这种冻结是杂乱无章的，磁矩分布的方向是无序的。

1 自旋玻璃态研究现状

自从20世纪80年代初发现铜氧化物高温超导体以来，越来越多的实验表明该体系从反铁磁绝缘体向超导体过渡过程中，出现了明显的电子自旋玻璃态，甚至持续到超导的铜氧化物之中，因此人们对自旋玻璃从实验上和理论上都进行了大量的研究。

1.1 自旋玻璃态相图的研究

金属到氧化物的转变看起来像是一个自然的场，这个场中存在着自旋、电荷和自由分布的晶格度之间的相互作用[1]，在金属到氧化物的转变像图中，自旋玻璃态的相是很常见的，并且可以在其他情况下观察到，这可以看成是一个自然的结果，这个结果是由于在这样复杂的系统中具有化学掺杂而产生的无序状态引起[2]。

磁性受挫可以理解为是局域反铁磁改变的结果，这种改变是发生在三维反铁磁长程序连接的铜离子之间，早期用掺杂的方法对自旋运动和其演变进行的观察显示出，完整的自旋玻璃态转变过程发生在一个有限的反铁磁领域，在不对称但是磁性有序的相中发生联合冻结。

因此，这个相通常指的是一个自旋玻璃团簇。这里已经很好的建立了动态自旋玻璃类型的行为，同时还讨论了介观物质的起源。

1.2 自旋玻璃态掺杂的研究

科学家们在低温正常态金属到绝缘体转变的边界的低掺杂旁边的样品中确定了正常态的高温超导体是无处不在的，受到在超导相中的磁量子临界点的影响。在Tc=8 K的温度下，铜氧化物超导体La1.96Sr0.06CuO4单晶在温度低于5 K时，从La的核磁共振弛豫现象中发现自旋玻璃态和超导相共存，Cu和La的核磁共振光谱显示出在冷却的条件下，CuO2平面逐渐分离成两个磁相，其中的一个相可以加强反铁磁关联，证明了反铁磁团簇的本质是自旋玻璃[3]。

1.3 自旋玻璃态磁矩的研究

研究发现，在铜氧化合物La1.96Sr0.04CuO4中，磁化方式和磁化强度既具有标准自旋玻璃转变特征的所有特点：不可逆性，剩余磁化，无序行为。磁矩产生了受自旋影响的很小的态密度。

自旋玻璃态是一种既同时具有铁磁态和反铁磁态，且铁磁态和反铁磁态是随机分布的，自旋玻璃态的特点是受挫和随机。

作为一种“复杂系统”的典型例子，人们对自旋玻璃态的分类进行了相当广泛的研究，而且影响着和自旋玻璃态相近的领域。

对于三维的伊辛模型来说，目前已经建立了一个很成熟的模型，这个模型可以表现出在有限温度下的平衡自旋玻璃转变现象，尤其是，通过对Y2Mo2O7物质进行精细测试实验的观察，发现存在明显的自旋玻璃转变[4]。

2 结语

综上所述，近年来随着自旋玻璃态研究的不断发展，铜氧化物高温超导体中的自旋玻璃现象有了更多的理论基础，这些成果都有助于对其进行更深入的研究，这对高温超导体系的研究工作在一定意义上有很大的帮助，与铁磁态和反铁磁态不同，它们都具有长程序，然而自旋玻璃所表现出的合作行为确实令人奇怪，因为这种合作行为是发生在长程序的磁状态

时的。

对于自然界中形形色色的复杂体系来说，自旋玻璃无疑可以作为一种典型的系统，若我们真正清楚的掌握了自旋玻璃的特性，认识了其所包含的自然规律，这对于我们研究其他复杂体系也是具有指导意义的。

参考文献

[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.