自旋超導(dǎo)態(tài)是一種與電荷超導(dǎo)態(tài)對(duì)應(yīng)的新型量子態(tài)，指電荷為零自旋非零的波色子在低溫時(shí)凝聚成的超流態(tài)。自旋超導(dǎo)態(tài)具有零自旋阻現(xiàn)象和電邁斯納效應(yīng)：零自旋阻指的是自旋流能夠無耗散地流過自旋超導(dǎo)態(tài)，雖然它是電荷絕緣體；電邁斯納效應(yīng)指自旋超導(dǎo)態(tài)的電場梯度屏蔽作用。此外，自旋約瑟夫森效應(yīng)也被理論預(yù)言存在于二個(gè)具有相位差的自旋超導(dǎo)體構(gòu)成的弱耦合結(jié)中。自旋超導(dǎo)態(tài)也與電荷超導(dǎo)態(tài)存在著基本不同，電荷超導(dǎo)是由電子或空穴配成庫珀對(duì)，但是自旋超導(dǎo)態(tài)是由電荷為零自旋非零玻色子凝聚產(chǎn)生的，比如電荷-空穴對(duì)或者磁子等電荷為0，自旋為1的玻色子等。由于自旋超導(dǎo)態(tài)具有的獨(dú)特量子性質(zhì)，近年來受到了廣泛關(guān)注。理論上預(yù)言鐵磁性石墨烯、磁性絕緣體和反鐵磁絕緣體等多種材料體系可能是自旋超導(dǎo)態(tài)的載體，但是在實(shí)際實(shí)驗(yàn)體系中自旋超導(dǎo)態(tài)還沒有被觀測(cè)到。如何在實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到自旋超導(dǎo)基態(tài)和其中的自旋輸運(yùn)是自旋超導(dǎo)研究領(lǐng)域的核心問題。

    最近，北京大學(xué)量子材料中心韓偉、謝心澄等組成的研究團(tuán)隊(duì)在國際上首次成功從實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到了自旋超流基態(tài)的重要實(shí)驗(yàn)證據(jù)，是自旋超導(dǎo)領(lǐng)域的一項(xiàng)重大突破性進(jìn)展。研究小組首先利用激光分子束外延技術(shù)生長了具有原子級(jí)別平整度的反鐵磁Cr2O3薄膜，是電荷的絕緣體。采用非局域自旋輸運(yùn)的技術(shù)，用熱方法在鉑電極和Cr2O3薄膜界面注入自旋流、產(chǎn)生自旋壓，在另外一個(gè)鉑電極處利用鉑的自旋霍爾效應(yīng)測(cè)量自旋流的輸運(yùn)（圖A）。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示在低溫下自旋輸信號(hào)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，對(duì)應(yīng)著自旋導(dǎo)的飽和，也就是零自旋阻效應(yīng)；即自旋超流基態(tài)的最重要基本性質(zhì)之一（圖B）。在此基礎(chǔ)上，該研究小組又系統(tǒng)研究了不同自旋輸運(yùn)距離下自旋超流的輸運(yùn)現(xiàn)象，證明了自旋在該自旋超流基態(tài)可以進(jìn)行長距離的輸運(yùn)，并且其隨輸運(yùn)距離的關(guān)系與自旋超流態(tài)輸運(yùn)理論預(yù)言一致（圖C）。該工作是是自旋超導(dǎo)態(tài)領(lǐng)域研究的一項(xiàng)重大突破，勢(shì)必推動(dòng)自旋超導(dǎo)態(tài)的快速發(fā)展，為研究基于自旋玻色子的玻色愛因斯坦凝聚的基礎(chǔ)物理研究提供了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并為新型量子自旋器件，如自旋流約瑟夫森結(jié)等，奠定了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

    圖：自旋超流基態(tài)的重要實(shí)驗(yàn)證據(jù)。（A）非局域自旋輸運(yùn)測(cè)量示意圖。用熱方法在左邊鉑電極和Cr2O3薄膜界面注入自旋流，在右邊鉑電極處利用鉑的自旋霍爾效應(yīng)測(cè)量自旋流的輸運(yùn)。（B）自低溫下自旋輸信號(hào)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，反映出自旋超流基態(tài)的零自旋阻效應(yīng)。（C）自旋信號(hào)隨其隨輸運(yùn)距離的關(guān)系與自旋超流態(tài)輸運(yùn)理論預(yù)言一致。

    該工作于2018年4月13日發(fā)表于物理著名學(xué)術(shù)期刊Science Advances上（Science Advances，4,eaat1098（2018）。DOI: 10.1126/sciadv.aat1098）。

    該項(xiàng)工作由韓偉研究員、謝心澄院士的合作設(shè)計(jì)和指導(dǎo)完成的，課題進(jìn)展工程中得到了Ryuichi Shindou研究員、施靖教授和林熙研究員的幫助。北京大學(xué)量子材料科學(xué)中心2013級(jí)博士生袁偉為文章第一作者，韓偉研究員、施靖教授和謝心澄院士為文章共同通訊作者。該項(xiàng)工作得到了國家重大科學(xué)研究計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、中組部青年千人計(jì)劃和量子物質(zhì)科學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心的支持。

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責(zé)任編輯：殷鵬飛

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