自发铁磁性的超电流控制：自旋轨道耦合超导体中的磁性杂质

为什么超导体中的微小磁体很重要

现代超算需要在超导电子学所必需的低温环境中运行的超快、超高效存储。该研究考察了一种不寻常的材料：在这里，无电阻的电流（即超电流）能悄然将表面上许多微小的磁矩组织成一个集体态。该工作指出了一种以几乎无能量损耗方式存储信息的新途径。

超导体与隐匿的磁性

在典型的超导体中，电子成对的方式通常与磁性相冲突。磁性位往往会破坏这些配对，因此长程磁有序并不容易形成。本研究的材料是一种基于铁的化合物Fe(Se, Te)，其行为不同，因为电子的运动与自旋之间存在强烈耦合，即自旋轨道耦合。挤入常规原子层之间的额外铁原子像微小磁体一样散布在表面。理论曾提出，在这种背景下，这些杂质可以通过超导体内不寻常的电流相互通信并对齐成铁磁性，但这种现象此前未被直接观察到。

成像肉眼看不见的磁性格局

研究者从Fe(Se, Te)剥离出薄片，这些薄片含有相对高密度的插层铁原子，并将其冷却至超导转变温度以下。采用高灵敏度的扫描SQUID显微镜，他们绘制了材料对微小磁场和施加电流的响应图。与通常标志着磁场进入超导体的熟悉涡旋图样不同，他们看到的是跨越数十微米的宽阔磁畴。这些磁畴在不同冷却周期之间会变化，仅在材料处于超导态时出现，并在温度接近临界温度时迅速消退。这些特征表明，畴并非由普通的杂质引起，而是一种依赖于成对电子超流（超流体）的磁性态。

用电流写入磁化

为测试超电流是否能控制这种磁性，团队在类似薄片上制备了带金电极的器件。当他们向样品通以小偏置电流时，观测到的磁信号与电流本身产生的普通磁场一致。然而在超过某一阈值电流时，图样骤变：强电流集中沿着边缘流动，测得的磁通符号相比简单预期发生了翻转。在偏置电流关闭后，仍留下了剩余的磁通图样，其符号可通过反向电流再次反转。电流依赖表现出滞后回线，类似于常规铁磁体的磁化翻转，但这里的开关发生在大约比典型金属器件低一千倍的超电流密度下。

超电流如何将自旋联系在一起

关键在于表面自旋轨道耦合允许的一种磁电效应。流动的超电流倾向于使表面杂质极化，使它们的自旋在面内排列。反过来，面内的均匀磁化会产生所谓的反常超电流，这些电流以独特方式循环：在边缘它们增强施加电流的方向，而在内部则与之相反。这些循环电流产生了SQUID显微镜所探测到的磁信号。由于薄片的上下表面贡献是叠加的，尽管自旋本身仅为原子尺度，效应依然很强。当超导体被加热，超流体减弱，长程铁磁有序及其相关的反常电流消失，从而将磁态直接与超导凝聚态联系起来。

迈向低损耗的低温存储

简言之，该研究表明，只要材料保持超导状态，轻柔且无损耗的电流就能以可控、非易失的方式切换一张由微小表面磁体组成的薄层。这种由超电流而非普通电子媒介的电流写入磁化，可能成为低温存储元件的基础，其能耗远低于现有磁性器件。虽然实用应用还需要更洁净、更薄的薄膜以及可靠的电读出方案，但这项工作证实了长期存在的理论设想，并为将来在低能耗计算机中将超导逻辑与磁性存储集成开辟了道路。

引用: Xiang, B., He, Q., Lin, Y. et al. Supercurrent-controlled spontaneous ferromagnetism of magnetic impurities in a spin-orbit-coupled superconductor. Nat Commun 17, 4294 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70968-1

关键词: 超导自旋电子学, 铁磁性, 自旋轨道耦合, 低温存储, FeSeTe