自旋玻璃（Spin Glasses）是磁性合金材料的一種亞穩(wěn)定的狀態(tài)。因其內(nèi)部的基質(zhì)原子（非磁性的）作規(guī)則排列，但磁性的原子（占少數(shù)）卻是無規(guī)分布的，所以決定物質(zhì)磁性的這些原子的自旋是處于無序狀態(tài)，自旋玻璃也由此得名。
1970年，科利斯（Coles）首先用“自旋玻璃”一詞來描述稀釋合金AuCo的特殊磁性。20世紀(jì)80年代起，銅氧化物的高溫超導(dǎo)體被發(fā)現(xiàn)后，越來越多的實驗表明該體系從反鐵磁絕緣體向超導(dǎo)體過渡過程中，出現(xiàn)了明顯的電子自旋玻璃態(tài)，科研人員由此對自旋玻璃從實驗上和理論上都進行了大量的研究。
鐵磁性狀態(tài)和反鐵磁性狀態(tài)中，磁矩的磁矩方向（自旋）的分布是長程有序的，而自旋玻璃狀態(tài)中的磁矩方向是隨機凍結(jié)的，其分布呈現(xiàn)出長程無序性。這里的“玻璃”實際上是長程無序狀態(tài)的代名詞，指這種無序狀態(tài)類似于一般所說的玻璃。自旋玻璃表現(xiàn)出的眾多亞穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，使得它具有明顯的磁化弛豫現(xiàn)象，這也使得實驗和模擬自旋玻璃的難度加大。
基礎(chǔ)概念
自旋玻璃相是一種特殊的磁性相，它是少量磁性離子（自旋）無序地分布在有序的非磁性或弱磁性母相之中的稀釋合金。自旋玻璃是磁性元素與非磁性元素形成的固溶體，磁性元素的濃度逐漸增加到一定值時，固溶體開始呈現(xiàn)磁性的過渡狀態(tài)。其內(nèi)部自旋分布與玻璃中的原子分布類似，因此具有這種磁相的材料稱之為“自旋玻璃”。
研究歷程
1970年，科利斯（Coles）首先用“自旋玻璃”一詞來描述稀釋合金AuCo的特殊磁性。
20世紀(jì)80年代起，銅氧化物的高溫超導(dǎo)體被發(fā)現(xiàn)后，越來越多的實驗表明該體系從反鐵磁絕緣體向超導(dǎo)體過渡過程中，出現(xiàn)了明顯的電子自旋玻璃態(tài)，甚至持續(xù)到超導(dǎo)的銅氧化物之中，因此人們對自旋玻璃從實驗上和理論上都進行了大量的研究。
主要材料
典型的自旋玻璃是貴金屬或一般金屬與過渡金屬所形成的稀釋合金，如CuMn、AuFe等。其中，Cu和Au的離子是非磁性的，Mn和Fe的離子是磁性的，其濃度一般為1～10%。有些非稀釋磁性合金也屬于自旋玻璃。另外，還有一類非金屬性的，如EuxSf1-xS是絕緣性自旋玻璃，又如Cd1-xMnxTe是半導(dǎo)體性的自旋玻璃。自旋玻璃具有獨特的磁性能。通常，磁性合金的磁化率和比熱隨溫度變化曲線都顯示尖拐形，而自旋玻璃則不同。
物理特性
自旋凍結(jié)
自旋玻璃材料在高溫時呈現(xiàn)順磁性，但當(dāng)溫度下降時，復(fù)雜的相互作用使得長程有序狀態(tài)無法形成，各個磁矩被隨機地凍結(jié)在某個方向，最后呈現(xiàn)無規(guī)則的長程無序狀態(tài)。而這個轉(zhuǎn)變過程是緩和的，就磁化率來說，自旋玻璃材料在溫度下降時磁化率先緩慢增高，經(jīng)過一個峰值后再緩慢下降。達到峰值時的溫度也稱為“凍結(jié)溫度”（表示之后開始“凍結(jié)”）。其原理為：相互作用產(chǎn)生有序，熱運動產(chǎn)生無序，當(dāng)物質(zhì)的溫度升高時，原子自身的熱運動逐漸超過原子之間的相互作用，于是物質(zhì)宏觀上變?yōu)轫槾判浴６?dāng)溫度重新降低時，物質(zhì)將恢復(fù)獨自的磁性特質(zhì)。鐵磁體材料在高溫狀態(tài)下的磁性特征遵從瑪麗·居里皮埃爾·外斯定律。而當(dāng)溫度降至一定水平（稱為相變溫度或居里點）后，將快速回復(fù)鐵磁性性質(zhì)。
亞穩(wěn)態(tài)
自旋玻璃材料在低溫時可能出現(xiàn)很多種不同的狀態(tài)，這些狀態(tài)下系統(tǒng)的能量都差不多（差距極微小），被稱為亞穩(wěn)態(tài)。這種情況的出現(xiàn)是由于所謂的“阻挫現(xiàn)象”（frustration，或稱受挫現(xiàn)象）。其原理為：鐵磁性材料和反鐵磁性材料的磁矩在相變溫度以下只有一種排列狀態(tài)。比如鐵磁性材料在低溫時所有的磁矩都按著同一個方向排列。這個狀態(tài)下系統(tǒng)的能量是最低的。要改變這種狀態(tài)需要較大的能量。
阻挫
自旋玻璃的阻挫現(xiàn)象是對自旋玻璃態(tài)系統(tǒng)中亞穩(wěn)基態(tài)眾多的解釋，其含義是由于幾何結(jié)構(gòu)使得不存在一個確定的磁矩（自旋）狀態(tài)能滿足系統(tǒng)能量最小化的要求。以一個由三個自旋組成的系統(tǒng)為例，每兩個自旋之間都是反磁相互作用，當(dāng)其中兩個自旋方向相反（一上一下）的時候，無論第三個自旋處于什么狀態(tài)（上或者下），都無法滿足所有相互作用的要求：兩種狀態(tài)的系統(tǒng)能量相同。因此，這兩種狀態(tài)出現(xiàn)的可能性是一樣大的，這就是阻挫。當(dāng)這類三自旋系統(tǒng)或類似的系統(tǒng)數(shù)量眾多的時候，會有很多個不同的狀態(tài)有著幾乎同樣的能量，這導(dǎo)致了自旋玻璃材料的基態(tài)的復(fù)雜性。
磁化弛豫
自旋玻璃材料由于自旋隨機凍結(jié)，宏觀整體的磁化率是0。然而，自旋玻璃并不像反鐵磁性材料一樣在低溫時對外部磁場產(chǎn)生抵抗，而是像順磁性材料一樣，會被外部磁場磁化。而自旋玻璃不同于順磁性材料的地方是，它磁化的過程是相對緩慢的。順磁材料的磁化弛豫時間（從開始到磁化完成的時間）幾乎可以忽略不計，但自旋玻璃則需以分鐘甚至小時計。同樣地，已經(jīng)磁化后撤除外部磁場，自旋玻璃需要的恢復(fù)時間也是緩慢的。
研究現(xiàn)狀
自旋玻璃態(tài)相圖的研究
將金屬到氧化物的轉(zhuǎn)變看作一個自然的場，這個場中存在著自旋、電荷和自由分布的晶格度之間的相互作用，在金屬到氧化物的轉(zhuǎn)變像圖中，自旋玻璃態(tài)的相很常見，并且可以在其他情況下觀察到。由此，這個結(jié)果被視作一個自然的結(jié)果，這個結(jié)果是由于在這樣復(fù)雜的系統(tǒng)中，具有化學(xué)摻雜而產(chǎn)生的無序狀態(tài)引起的。磁性受挫可以理解為是局域反鐵磁改變的結(jié)果，這種改變是發(fā)生在三維反鐵磁長程序連接的銅離子之間，早期用摻雜的方法對自旋運動和其演變進行的觀察顯示出，完整的自旋玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變過程發(fā)生在一個有限的反鐵磁領(lǐng)域，在不對稱但是磁性有序的相中發(fā)生聯(lián)合凍結(jié)。因此，這個相通常指的是一個自旋玻璃團簇。
自旋玻璃態(tài)摻雜的研究
研究表明，低溫正常態(tài)金屬到絕緣體轉(zhuǎn)變的邊界的低摻雜旁邊的樣品中確定了正常態(tài)的高溫超導(dǎo)體是無處不在的，受到在超導(dǎo)相中的磁量子臨界點的影響。在Tc=8K的溫度下，銅氧化物超導(dǎo)體La1.96Sr0.06CuO4單晶在溫度低于5K時，從La的核磁共振弛豫現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)自旋玻璃態(tài)和超導(dǎo)相共存，Cu和La的核磁共振光譜顯示出在冷卻的條件下，CuO2平面逐漸分離成兩個磁相，其中的一個相可以加強反鐵磁關(guān)聯(lián)，證明了反鐵磁團簇的本質(zhì)是自旋玻璃。
自旋玻璃態(tài)磁矩的研究
研究發(fā)現(xiàn)，在銅氧化合物L(fēng)a1.96Sr0.06CuO4中，磁化方式和磁化強度既具有標(biāo)準(zhǔn)自旋玻璃轉(zhuǎn)變特征的所有特點：不可逆性，剩余磁化，無序行為。磁矩產(chǎn)生了受自旋影響的很小的態(tài)密度。自旋玻璃態(tài)是一種既同時具有鐵磁態(tài)和反鐵磁態(tài)，且鐵磁態(tài)和反鐵磁態(tài)是隨機分布的，自旋玻璃態(tài)的特點是受挫和隨機。作為一種“復(fù)雜系統(tǒng)”的典型例子，人們對自旋玻璃態(tài)的分類進行了相當(dāng)廣泛的研究，而且影響著和自旋玻璃態(tài)相近的領(lǐng)域。對于三維的伊辛模型來說，一個成熟的模型已經(jīng)被建立，這個模型可以表現(xiàn)出在有限溫度下的平衡自旋玻璃轉(zhuǎn)變現(xiàn)象，尤其是，通過對Y2Mo2O7物質(zhì)進行精細測試實驗的觀察，發(fā)現(xiàn)存在明顯的自旋玻璃轉(zhuǎn)變。
來隨著自旋玻璃態(tài)研究的不斷發(fā)展，銅氧化物高溫超導(dǎo)體中的自旋玻璃現(xiàn)象有了更多的理論基礎(chǔ)，這些成果都有助于對其進行更深入的研究，這對高溫超導(dǎo)體系的研究工作在一定意義上有很大的幫助。對于來說，自旋玻璃作為自然界中復(fù)雜體系下的一種典型的系統(tǒng)，被人們掌握其特性、規(guī)律后，對人們研究其他復(fù)雜體系具有指導(dǎo)意義。
理論模型
EA模型
1975年，Edwards和Anderson提出了一個關(guān)于自旋玻璃化轉(zhuǎn)變的較成功的理論，稱為EA模型（Edwards–Anderson model），該模型從簡單的Heisenberg模型出發(fā)，主要考慮鍵之間的競爭，在Hamilton量式中，求和包括了三維規(guī)則方格上的最近鄰格點對。EA模型和它的平均場近似是解釋自旋玻璃態(tài)性質(zhì)和可能的相變的第一步，用滿足Gauss分布的一組無規(guī)鍵替代格點無序和RKKY互作用，剩下的工作就是建立這個模型真正的平均場理論。
SK模型
1975年，為了導(dǎo)出EA模型的平均場理論，提議修正模型，即互作用項Jij不再被限定于最近鄰格點對，而是所有格點對都耦合在一起，也就是說互作用有無限大的力程，另外為了簡化，他們將自旋取為Ising變量Si=±1.這樣一個無限程的模型提供了平均場理論所需的形式，并且可以嚴(yán)格求解，交換互作用的概率分布區(qū)分了不同的模型，被稱為SK模型（The model of Sherrington and Kirkpatrick）。1979年，Parisi對SK模型進一步修正。SK模型提供了一個可與實驗比較的理論方案。預(yù)期的相圖能用真實的自旋玻璃態(tài)材料模擬，計算出的磁化率同測量結(jié)果定性地吻合，然而SK模型還存在一些問題，一個嚴(yán)重的缺點是在T=0時為負值，這是非物理的結(jié)果。
相關(guān)事件
2023年8月，諾貝爾物理學(xué)獎得主喬治·帕里西在采訪中表示：數(shù)學(xué)優(yōu)雅的形式體系幾乎有自己的生命，人們能被這一生命的生長所引導(dǎo)，從而創(chuàng)造出新的物理理論。自旋玻璃的“復(fù)本”理論就是先出現(xiàn)了形式體系，然后才有物理理解。
參考資料 >
喬治·帕里西:物理理論和數(shù)學(xué)形式優(yōu)雅的重要意義.澎湃新聞.2023-09-08
科普:他們揭示了“復(fù)雜物理系統(tǒng)”背后的奧秘——2021年諾貝爾物理學(xué)獎成果解讀.央視網(wǎng).2023-09-15