自旋超導态是一種與電荷超導态對應的新型量子态，指電荷為零自旋非零的波色子在低溫時凝聚成的超流态。自旋超導态具有零自旋阻現象和電邁斯納效應：零自旋阻指的是自旋流能夠無耗散地流過自旋超導态，雖然它是電荷絕緣體；電邁斯納效應指自旋超導态的電場梯度屏蔽作用。此外，自旋約瑟夫森效應也被理論預言存在于二個具有相位差的自旋超導體構成的弱耦合結中。自旋超導态也與電荷超導态存在着基本不同，電荷超導是由電子或空穴配成庫珀對，但是自旋超導态是由電荷為零自旋非零玻色子凝聚産生的，比如電荷-空穴對或者磁子等電荷為0，自旋為1的玻色子等。由于自旋超導态具有的獨特量子性質，近年來受到了廣泛關注。理論上預言鐵磁性石墨烯、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态的載體，但是在實際實驗體系中自旋超導态還沒有被觀測到。如何在實驗上觀測到自旋超導基态和其中的自旋輸運是自旋超導研究領域的核心問題。
最近，量子物質科學協同創新中心成員beat365量子材料中心韓偉、謝心澄等組成的研究團隊在國際上首次成功從實驗上觀測到了自旋超流基态的重要實驗證據，是自旋超導領域的一項重大突破性進展。研究小組首先利用激光分子束外延技術生長了具有原子級别平整度的反鐵磁Cr2O3薄膜，是電荷的絕緣體。采用非局域自旋輸運的技術，用熱方法在鉑電極和Cr2O3薄膜界面注入自旋流、産生自旋壓，在另外一個鉑電極處利用鉑的自旋霍爾效應測量自旋流的輸運（圖A）。實驗數據顯示在低溫下自旋輸信号出現飽和現象，對應着自旋導的飽和，也就是零自旋阻效應；即自旋超流基态的最重要基本性質之一（圖B）。在此基礎上，該研究小組又系統研究了不同自旋輸運距離下自旋超流的輸運現象，證明了自旋在該自旋超流基态可以進行長距離的輸運，并且其随輸運距離的關系與自旋超流态輸運理論預言一緻（圖C）。該工作是是自旋超導态領域研究的一項重大突破，勢必推動自旋超導态的快速發展，為研究基于自旋玻色子的玻色愛因斯坦凝聚的基礎物理研究提供了實驗平台，并為新型量子自旋器件，如自旋流約瑟夫森結等，奠定了實驗基礎。
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| 圖：自旋超流基态的重要實驗證據。（A）非局域自旋輸運測量示意圖。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測量自旋流的輸運。（B）自低溫下自旋輸信号出現飽和現象，反映出自旋超流基态的零自旋阻效應。（C）自旋信号随其随輸運距離的關系與自旋超流态輸運理論預言一緻。 |
該工作于2018年4月13日發表于物理著名學術期刊Science Advances上(Science Advances，4,eaat1098(2018).DOI: 10.1126/sciadv.aat1098)。論文鍊接是：http://advances.sciencemag.org/content/4/4/eaat1098.
該項工作由韓偉研究員、謝心澄院士的合作設計和指導完成的，課題進展工程中得到了Ryuichi Shindou研究員、施靖教授和林熙研究員的幫助。beat365量子材料科學中心2013級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。該項工作得到了國家重大科學研究計劃、國家自然科學基金、中組部青年千人計劃和量子物質科學協同創新中心的支持。
