【原创】第18届国际磁学会议--记忆中的亮点回顾::Highlights of ICM2009 in my memory

Y. Tokura是个很Nice的日本学者，说他nice是基于笔者和他的一次email来往，他的回复让我感到他的专业和贴心。Tokura主要集中介绍日本人在多铁领域的贡献，这也难怪，在多铁界，目前至少有1/3的领导性的工作来自日本，这些年他们不仅在材料上接连有新的发现，而且在理论上发现了一类新型磁电耦合机制--非共线磁性有序导致铁电有序，而Tokura正是当今日本多铁理论界的代表人物，参考图1-1-3。Tokura首先综述了典型的单相多铁的耦合机制和对应的代表材料：
1)、Bi3+,Pb2+在A-site的钙钛矿结构由于独特的孤对电子结构导致多铁性，比如BiFeO3, BiMnO3, BiCoO3等；
2)、三色超晶格tricolor superlattice，比如LaMnO3/SrMnO3/LaAlO3等；
3)、电荷有序的磁性化合物charge-ordering magnetic compounds，如LuFe2O4；
4)、自旋-自旋相互作用诱发的多铁性，DM multiferroic或spin-current multiferroic，如TbMnO3, Y-ferrite等

//////笔者插入语：这里所列我不认为是全部多铁耦合机制，实际上还有"多铁体中的罗息盐"类型的含卤硼酸盐多铁体，如Ni3B7O13I，尽管它们多铁机制非常复杂而且效应并不明显，但他们在证实多铁体确实存在的角度上功不可没；还有铁电体中掺入磁性离子的多铁体，如(1-x)PbFe2/3W1/3O3-xPbMg1/2W1/2O3、PbFe1/2Nb1/2O3等，尽管它们因为磁性离子稀释效应导致弱铁磁性转变温度极低，但也有不少人在这条思路上非常热衷；还有其他笔者没有想到的，欢迎读者补充！//////笔者插入语结束


图1-1-3 Tokura的讲座开始

然后，他着重讨论第4种多铁性，这种多铁性比较新颖以至于不少朋友(包括我自己)觉得难以理解，在Tokura幻灯片(汇总附后)的指引下，通过一番文献阅读，我现在的认识是这种机制的理解必须建立在以下几个概念的基础之上，参考图1-1-4，与图1-1-5：
1)、DM相互作用Dzyaloshinsky-Moriya interaction。它解释非共线性自旋构型可以导致弱铁磁性，Dzyaloshinsky 1958年最初的动机是在热力学的框架内借助非共线性图像来解释a-Fe2O3在200K附近的反铁磁-反铁磁磁性相变，而Moriya很快意识到非共线性导致弱铁磁性图像中的微观必然性(Moriya 1960)：各向异性超交换相互作用致使原本共线colinear的自旋构型变成偏离对称anti-symmetry的非共线性non-colinear构型。Moriya同时解决了DM交换能公式D·[S1xS2](x为叉乘，S1,S2为自旋矢量)中D的物理含义。鉴于二位分别作出的的贡献，DM相互作用以这二位姓氏命名。
2)、自旋流spin current。自旋流的概念我也是现学，另一方面迄今我还没有发现让我信服的证明自旋流存在的实验结果让我坚定的接受它，所以在清晰明了的勾画出它的物理图像上我无能为力，有兴趣了解这个概念本身的可以参考Zhang 2001。这里提到自旋流，是因为它是理解DM弱磁性到磁电极化产生机制的一条捷径，详见紧接着的第3点。
3)、非共线性自旋构型的磁电耦合微观机制，Katsura 2005对它进行了清晰的揭示--磁电极化的产生来自于非共线性的自旋-自旋相互作用诱发的自旋流产生,至少在磁电耦合几何的定性上符合P~e12xj(x为叉乘，前后均为矢量，j为自旋流)，自旋自旋之间的非共线性的产生是由于各向异性自旋轨道耦合,本质上是一种"拓扑量子效应"(Topological Quantum Effects)；

图1-1-4 非共线性自旋构形导致的自旋流及磁电极化示意图，注意其中可能有个不影响阅读的小错误--O的p轨道应该是3个，而不是这里示意的4个(Katsura 2005)


图1-1-5 Tokura讲稿中非共线性导致磁电极化的典型三维图像, Kagawa, 2009

更多Tokura讲稿的细节内容请在本文最后的讲稿汇总中寻找。多铁性的主题讲座contribution lectures、posters(包括我本人的墙展Lu 2009)，还有不少，鉴于篇幅的关系不一一列述。

1.2 超导
ICM2009中印象中我关注的和超导相关的planery/half planery talk报告有两个，一个来自中科院物理研究所的王楠林研究员，介绍中国凝聚态大军在这两年火热的铁基超导体上的突出贡献，具体的报告内容因为王老师整个报告随时间推进波澜不惊，像示波器中的恒电压信号，所以在我脑海中没有留下深刻印象，报告结束后的听众的反应也冷淡，对具体内容我没有足够的专业背景资格进行评论，有兴趣的可以参考Wang 2008.另一个主题报告来自凝聚态物理的泰斗--P.W. Anderson，如图1-2-1，他这次给大家带来的消息主要是"strange metals"中的"hidden Fermion"，对于超导本来我没有足够的专业背景，但安德森公开向大家承认的一个错误，如图1-2-2，激发我去阅读相关资料：Anderson到底在什么地方出错了？对于一个超导外行，这个slice把我弄糊涂了，经过一番文献阅读，我想我大致明白了Anderson所表达的意思实际上只是一个粗心导致的错误--引用的数据和原始数据之间因为粗心带来一个shift，参考图1-2-3中实心篮圈(原始数据)和空心圆圈(引用数据)，不仅如此，我发现了另一个粗心导致的错误：问题发生于Nature Physics上的一篇文章Anderson 2008，该文Fig.1和被引用的数据有些不一致，更加让人混乱的是，如果对照原始数据文献Hwang 2007,以及原始数据中引用安德森2005年的文献Anderson 2005,对于同一个数据的拟合，同一个人竟然能"造"出三个完全不同的模型，这三个光导随频率依赖的指数随掺杂变化关系的公式中到底哪个公式是正确的？如果读者中有这方面的专家，敬请指导！本人在此先深表感谢！


图1-2-1 安德森(P.W. Anderson)准备报告


图1-2-2 安德森在报告中提到自己犯过愚蠢的错误


图1-2-3 安德森错误在这里

Anyway, 超导新机理不断涌现，新材料如铁基超导体也很火，不过回到超导转变温度上，遗憾的是，迄今尚未发现振奋人心的进展。

1.3 玻色凝聚(BEC)
很多读者可能听说过前面提到的超导和巨磁电阻效应，但对玻色-爱因斯坦凝聚也许和我一样陌生，它是什么呢？大牛之所以为大牛，是因为他能够用一幅简洁明了的图像让人明白问题的核心，请见Bunkov先生给我们带来的BEC定义的图像，如图1-3-1，我想这幅图比我输入1千汉字还要管用，所以我不做更多介绍，有兴趣深究的朋友请参考Bunkov的代表作之一Bunkov 2008。

图1-3-1 玻色-爱因斯坦凝聚的定义图像, by Bunkov

1.4 超颖材料(metamaterials)
我在犹豫是否将metamaterials单独作为一栏放在科学进展部分中，因为当今热门的metamaterials(超颖材料)其实早就被理论处理并且实际应用在微波滤波(filter/grating)电路中，Booker 1947，具体请直接该文图14. 后人创造了metamaterials这个新词，并仍然在“创新”，却忽略了前人已经做的很成熟了，而且相关器件早已经受了二战的考验。不过我最终决定把它放在这类，是因为ICM2009的最后一个由Kalsruhe技术大学Wegener讲述的主题报告让我看到超颖材料不仅仅历史悠久而且前景看好。其中让我记忆深刻的两幅图分别如图1-4-1和1-4-2所示，前者是我的佩服不已的Hertz在100多年前的话，后者能让人直观看到超颖材料给人带来直观的视觉冲击(尽管迄今实验上还做不到)。超颖材料的最近一篇深度综述文章请参考Busch 2009。

图1-4-1 "电场和磁场是光前进的左右脚" by Hertz 1887


图1-4-2 超颖材料给人的神奇视觉冲击(模拟图)

1.5 拓扑绝缘体(topological insulator)
正如Z.L. Wang是纳米界华人科学家明星之一类似，S.C. Zhang是强关联电子理论中的华人领军者之一，他们对科学的发展方向具有超凡的洞察力和引导力。Zhang是ICM2009的Plenary talkers之一，他将拓扑绝缘体的概念和晶体、磁体、超导体做对照进行解析，都怪我鲁钝和学识浅薄所以搞不明白其中的物理图像，曾经和一个朋友闲聊时他提到"Zhang是一个看起来比较凶狠但实际上待人很nice的人。"，所以在他讲完后我试着和他请教一二，可惜还没怎么聊就被一个德国的美女教授打断了，因为她有更重要的事情要和Zhang讨论。ICM2009回来后我查阅了部分相关资料，试图从中寻找出让我信服的证实拓扑绝缘体的实验结果，结果是negative的，所以我姑且放弃去理解这个新概念。实际上，原子构造成固体，其中拓扑的改变能够引起金属-绝缘体转变这是自然而然的常识，君不见很多高压下的实验，包括对氢气和一些氧化物，通过压缩原子-原子之间的拓扑关系将原本绝缘体的物质变成金属，那么增加拓扑间距减少拓扑密度原则上变成绝缘体也不稀奇。至于Zhang"创造"的拓扑绝缘体对未来的冲击力有多大，让我们拭目以待。话说回来，有兴趣的朋友可以访问Zhang的研究主页了解更多 http://so5.stanford.edu/ 。

图1-5-1 拓扑绝缘体的图像

第二部分关于技术进步。

2.1 超巨磁电阻效应
巨磁电阻材料(GMR)是什么？不明白的朋友不妨看看巨磁电阻研究的泰斗级人物Gruenberg给我们的简洁明了的图像如图2-1-1：它一般是多层结构，如果主体中间薄层是绝缘体人们称之为隧道磁电阻(TMR)器件，如果是金属则为GMR,GMR分为面内(CIP)和垂直(CPP)两种。

图2-1-1 GMR/TMR图示

超巨磁电阻效应比较容易由TMR结构得到，来自Hitachi公司的Ikeda先生给我们展示通过一定的材料制备手段可以得到600%的超巨磁电阻效应。如图2-1-2所示。具体请参考文后列出的相关讲稿。

图2-1-2 不同公司的TMR竞赛曲线图

2.2 超强场实验
在会中我关注到在强磁场上的技术进步主要有两个，脉冲超强磁场(190特斯拉)实验；1cm^2 的小线圈最高可生成40T脉冲磁场，分别如图2-2-1和图2-2-2所示。

图2-2-1 脉冲超强磁场(190特斯拉)


图2-2-2 小线圈最高可生成40T脉冲磁场发生器

2.3 超宽场-频窗口实现
磁场中进行的电动力学实验，如NMR, ESR，在设备上有一个共同的毛病是频率-磁场窗口狭窄，尤其是频率窗口一般不超过一个数量级，以至于难以观测到样品更加全面的电动力学信息，实验者希望这个二维窗口越宽越好，但局限于条件，超宽场-频窗口实验对多数人只是梦想，而来自大阪大学KYOKUGEN组的Hagiwara教授展示，他们尽力做到了1-65 T + 1-6000 GHz 的场-频窗口，如图2-3-1所示。他们的详细工作可以参考Sakon 2003。

图2-3-1 超宽场-频窗口

超宽场-频实现的通常有两个途径，一是定场扫频，而是定频扫场。Woltersdorf教授给我们提供了两种模式测量误差的对照结果，他的结果显示定场扫频的精度没有定频扫场的精度好，如图2-3-2所示，不过本人认为，这个结果不同说明测量模式的优劣，只能说应用该模式的技术不够好，好比《叶问》中的主人公的一句话(大致意思)：“你输给了我，并不意味着北方拳输给南方拳”。其中道理我认为实质上是一样的。

图2-3-2 宽场频实验中集中典型模式的结果对照

2.4 超快激光实验
来自荷兰Radboud Univ. Nijmegen的IMM组，毫不怀疑是当今世界快速操纵电子自旋/磁性的顶尖小组之一。其带头人Rasing教授做大会主题报告的开头指出超快磁性实验的必要性，如图2-4-1所示，这也许可以回答某些读者的问题：“超快光学有什么用？”。他们实验的典型装置如图2-4-2所示。他们竟能实现在飞秒femtoseconds层次使用激光完成磁性材料记忆状态的改写操作，如图2-4-3所示。通过飞秒光学的研究，他们能帮助人们认识和理解物质在ps以下的电动力学行为和机制，如图2-4-4所示。有兴趣的朋友建议阅读他们的代表作之一Kimel 2005。

图2-4-1 超快激光磁学实验的必要性


图2-4-2 超快激光的实验装置


图2-4-3 超快激光对磁性材料记忆状态的改写


图2-4-4 超快激光解释物质的超快过程

2.5 超灵敏磁场探测
Sawicki先生给我们展示了他们在超灵敏磁性测量上的进展：在SQUID中实现1e-7 emu的直接精密测量，不过除了图2-5-1之外他没有透露更多技术细节。

图2-5-1 超精密直接磁矩测量

归纳起来，通过ICM2009，笔者见识到磁学发展的诸多前沿分支，从多铁性、巨磁电阻效应、超导，到拓扑绝缘、超颖材料等等……，新材料和新现象可谓层出不穷，很开眼，但笔者同时劝告自己：没有必要被新材料和新概念的洪流迷失自己的方向(发挥自己想象力、尝试挑战当前技术水平的极限、瞄准社会需要，继续积累、开拓。)，实际上凝聚态磁学的发展无论如何分叉，其科学问题的出发点均是电子的电荷、自旋两个基本属性，而对应的测量技术的发展总是离不开电荷、自旋在一定时空边界条件/窗口上的观察。当然，这些新概念之间具体的实质上的共同之处我当前没有能力解释清楚，也就是说我不能做出一副figure一目了然的反映出这些新概念之间的共性，或许，在各个领域的领军人物的头脑中可以找到答案(悲观估计，当今世界上有能力并且愿意做这件事的人恐怕合计不会超过十个人)。

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////为了放松读者在前面阅读过程中因脑力集中而导致的神经紧张，在此透露一点大会相关八卦，送给读者作为"餐"后甜点。
附录：八卦
1、金大教授的风采
复旦大学的金晓峰教授，ICM2009之前没听说过，这次打交道让我见识不少，一方面是因为他自己，另一方面是因为他的一个学生--年纪比我稍长的何睿华同学。金老师乍一看其貌不扬，甚至显得有些猥琐，不过人不可貌相，这点金老师和南大的刘俊明老师想像，只要你有机会和他进行逻辑和思想上过招你会不难发现他思维的活跃和缜密。另外，ICM2009中所有我听过的华人talker中数金老师的英文最流利。金老师在生活和报告时的照片一不小心被我八卦到了，分别如图A1和A2所示，嘿嘿。在阅读金老师的作品和学术网页过程中，我无意中留意到他的学生何睿华，他对设备的搭建情有独钟，这点我和他很相近以至于我对他非常欣赏，尽管未曾交往过。现在他在Stanford做ARPES，预期未来的两年里我也将投入到ARPES设备的搭建中，我预感和他面对面切磋的一天会不经意的到来。

图A1 金晓峰老师的一张生活照(抓拍)


图A2 金晓峰老师精彩讲演的照片(抓拍)

2、杨兄启示录
杨兄是来自日本材料研究所任晓兵研究组的研究员，也许是缘分的巧合，我们能聊起来，而且越聊越觉得聊不完，从相变、能量到设备搭建、电子衍射我们都能找到兴趣的交集。这种几年不遇的朋友太难得了。和他的讨论中有两点对我很有启发，一是他提醒我Landau理论的实质是一切从能量出发，并以双原子LJ势的形貌做举例，从他一谈起能量就兴奋的眼神我猜想他是相变理论的行家，参考他近期的作品Yang 2008。另一点是我们关于电子衍射测量晶格常数上的争论，争论的结果直接触发我思考衍射的实质，并总结如浅析X射线衍射、中子衍射和电子衍射技术差异。也使我对物质波光学发生兴趣。为此，谢谢杨兄！

图A3 和杨兄合影

3、日本人印象
本次大会中日本人是最多的，超过东道主德国，中国相对很少，尽管华人很多，但大多华人的单位并不是来自中国(包括我)，以至于来自中国的参会人数和亚洲除日本外的其他国家一起还不足日本人比例的零头，这或许是中国特色吧。因为日本人比较多，所以接触的日本人也较多，其中印象较深的除了前面提到的多铁领域的Tokura和超宽场频窗口测量的Hagiwara外，还有几个典型，有负面的也有正面的。
先说负面的，有两个日本talkers，可能是因为英语不行，结束讲演之后，人家提问，根本就是所答非所问以至于引来哄堂大笑，印象中一个笑话是听众提问那个方案更好时，台上的日本人回答"Ja,Ja."，另一个笑话是听众提问talker的方案和标准的方案对照结果如何时，台上的人让那位听众重复一遍后回答"Yes!"具体名姓我有记录，但在这里就不便提及。
再说一个正面的，一个日本年轻人，看起来还像是个小孩，如图A4(他把自己照片放在自己Poster的右上角)，我在他的poster面前和他谈了近一个小时，他在我poster前也交流了约半小时。尽管他的英文不太流利，但他的诚实、谦虚和自信给我留下深刻印象，我预计这个日本年轻人前途无量，所以我记下了他的名字T. Iizuka。

图A4 Iizuka在自己的Poster右上角的自爆相

4、风景留恋
ICM2009结束后，在驶离Karlsruhe Hbf的ICE还有两个小时发车的间隙，抽空领略了卡城的风光和啤酒。请见图A5,A6。

图A5 Karlsruhe的风光


图A6 Karlsruhe的啤酒

最后，附上前面提到的几个讲演者的讲稿(由本人拍摄的照片自制,可匿名下载)。
同时借国庆中秋双双来临之际：祝福祖国繁荣昌盛；祝愿读者事业蒸蒸日上、家庭和谐幸福。

Tokura_multiferroic_talk.pdf
Wegener_Metamaterials_talk.pdf
Ikeda_TMR_talk.pdf