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研究指出：超导性通过破坏对称性揭示交替磁性
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研究指出：超导性通过破坏对称性揭示交替磁性 超导性与磁性之间究竟有何联系？磁性与超导性在量子材料中的一种令人困惑的关系已经萦绕科学界数十年——如今，维也纳工业大学（TU Wien）的一项研究给出了一个出人意料的新解释。 一些材料在被冷却到极低温度时，可以在没有任何电阻的情况下导电。这种现象被称为超导性，它与材料的其他重要性质密切相关。然而，维也纳工业大学固体物理研究所物理学家 Aline Ramires 的最新研究表明：在某些材料中，超导性并不会像人们普遍认为的那样产生奇异的磁性。相反，它只是让一种不同寻常的磁性形式在实验中变得可观测——这种磁性被称为交替磁性（altermagnetism）。 回到未来：时间反演对称性 如何判断一段影片是在正向播放还是倒放？许多物理现象并不区分时间的正向或反向，但磁性却会：如果粒子在磁场中被偏转向右，那么在时间反向运行时，它看起来就会被偏转向左。在这种情况下，物理学家称之为时间反演对称性破缺。这种对称性破缺也可以以更微妙的量子力学方式出现，例如体现在某些材料中粒子的量子态上。几乎在所有情况下，这都是磁效应存在的明确标志。 过去，人们正是这样解读一系列在不同材料中获得的实验结果：恰好在材料进入超导态的温度以下，一些奇异现象突然显现出来。结论似乎不言自明——超导性本身一定是“奇异”的，在出现的那一刻产生了磁性并打破了时间反演对称性。 “例如，在锶钌氧化物（Sr₂RuO₄）以及某些层状材料中，人们观察到了时间反演对称性破缺的迹象，”Ramires 说。“最初，如果假设存在一种特殊的、具有手性并能产生磁效应的超导态，一切看起来都说得通。但随着实验结果的不断积累，整体图景却变得越来越令人困惑。” 这项发表在《Physical Review Research》上的新研究有力地表明：超导态的锶钌氧化物实际上并不会产生这样的磁效应。其他实验甚至在临界温度之上——也就是超导性尚未出现的区域——就探测到了磁性信号。“显然有哪里不对劲，但没有人能够解释这些奇怪的矛盾，”Ramires 说。 Aline Ramires。图片来源：维也纳工业大学 交替磁性——一种奇异的磁性形式 Ramires 现在表明，这些谜团可以追溯到一种直到近几年才被确认的、不同寻常的磁性类型——交替磁性。在传统的铁磁性中，所有参与的电子都会将其磁矩（自旋）排列在同一方向上。 而在反铁磁性中，情况恰恰相反：相邻的自旋指向相反方向，在较大的长度尺度上彼此抵消。“在交替磁性中，相邻自旋同样指向相反方向，但一种自旋的空间排布与另一种并不完全等价，”Ramires 解释道，“因此，交替磁性材料会表现出本质上不同的行为。” 对称性是关键 在某些材料中，交替磁性既可以存在于超导转变温度之上，也可以存在于其之下，并且能够打破时间反演对称性。然而，如果材料具有特定的内部对称性，凝聚态物理学家通常用来探测这种对称性破缺的特征信号可能会被“隐藏”起来。 “如果材料中的原子以某种特定的对称方式排列，一些效应就不可见——例如克尔效应，这是一种光学性质的变化，通常被视为时间反演对称性破缺的典型标志，”Ramires 说。“当超导性出现时，其中一些空间对称性可能会被打破，从而使此前被隐藏的效应变得可以测量。” 结论十分明确：并不是超导性在这些材料中创造了磁性。这些材料本身自始至终就是磁性的——它们是交替磁体。只是，在某些情况下，材料的内部对称性必须先被打破，交替磁性的后果才能被观测到。研究人员长期以来所怀疑的所谓磁性“阈值”并不存在——磁性本身并未发生任何变化，变化的只是它的可观测效应突然显现出来。 Publication details Aline Ramires, From pure to mixed: Altermagnets as intrinsic symmetry-breaking indicators, Physical Review Research (2026). DOI: 10.1103/jr65-4273 |
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