原子薄層材料證實(shí)物理學(xué)家數(shù)十年前預(yù)測的奇異二維磁相

原子薄層的NiPS3展現(xiàn)了20世紀(jì)70年代二維理論預(yù)測的完整磁性相序列。

德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的物理學(xué)家通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了一個已有數(shù)十年歷史的理論，該理論描述了磁性在超薄材料中的表現(xiàn)行為。

通過冷卻三硫化磷鎳（NiPS3）的原子薄晶體，研究團(tuán)隊(duì)觀測到了20世紀(jì)70年代預(yù)測的一整套奇異磁相，但此前從未在單一系統(tǒng)中完整展示過。

這項(xiàng)突破的核心在于，當(dāng)材料被冷卻到極低溫度時(shí)，會經(jīng)歷兩種不同的磁性轉(zhuǎn)變。

雖然過去在實(shí)驗(yàn)中已分別觀測到每一種轉(zhuǎn)變，但研究人員此前從未能連續(xù)捕獲這兩種轉(zhuǎn)變，從而完整地驗(yàn)證這一理論圖景。

實(shí)驗(yàn)在僅一個原子厚的NiPS3薄片上進(jìn)行。當(dāng)溫度降至-150°C至-130°C之間時(shí)，材料進(jìn)入一種被稱為"別列津斯基-科斯特利茨-索利斯相"（BKT相）的稀有狀態(tài)。

在這種狀態(tài)下，原子磁矩會排列成旋轉(zhuǎn)的渦旋圖案。

這些渦旋成對形成，旋轉(zhuǎn)方向相反，一個順時(shí)針，另一個逆時(shí)針。成對的結(jié)構(gòu)緊密結(jié)合在一起，形成一種被限制在單個原子層內(nèi)的獨(dú)特拓?fù)錉顟B(tài)。

納米尺度的旋渦

"BKT相特別引人入勝，因?yàn)轭A(yù)測這些渦旋非常穩(wěn)固，橫向范圍僅局限在幾納米內(nèi)，厚度卻只占據(jù)單個原子層，"研究負(fù)責(zé)人、UT物理學(xué)助理教授Edoardo Baldini說道。"由于其穩(wěn)定性和極小的尺寸，這些渦旋為在納米尺度控制磁性提供了新途徑，并為二維系統(tǒng)中的普遍拓?fù)湮锢韺W(xué)提供了見解。"
BKT相以理論家Vadim Berezinskii以及諾貝爾獎得主J. Michael Kosterlitz和David Thouless的名字命名，他們在數(shù)十年前描述了這種類型的相變。他們的工作贏得了2016年諾貝爾物理學(xué)獎。
隨著研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步冷卻材料，它進(jìn)入了第二種磁性狀態(tài)，即所謂的"六態(tài)時(shí)鐘有序相"。在這種狀態(tài)下，磁矩不再自由旋轉(zhuǎn)，而是鎖定在六個對稱相關(guān)的方向之一。

理論終獲證實(shí)

"在此階段，我們的工作展示了二維六態(tài)時(shí)鐘模型所預(yù)期的完整相序列，并確立了納米尺度磁渦旋在純二維磁體中自然出現(xiàn)的條件，"Baldini說。

六態(tài)時(shí)鐘模型長期以來一直是理論凝聚態(tài)物理學(xué)的基石框架。

該理論于20世紀(jì)70年代提出，預(yù)測了二維系統(tǒng)中特定的磁性轉(zhuǎn)變序列。直到現(xiàn)在，還沒有實(shí)驗(yàn)?zāi)茉谡鎸?shí)材料中捕獲這一完整過程。

這一發(fā)現(xiàn)表明，其他二維磁性材料可能也存在著類似的隱藏相。

研究人員認(rèn)為，操控此類納米尺度渦旋的能力最終可能支持開發(fā)超緊湊器件，有望將磁性存儲器或邏輯元件縮小至前所未有的尺度。

未來的工作將集中于在更高溫度（甚至可能接近室溫）下穩(wěn)定這些奇異相。如果實(shí)現(xiàn)，這將把該物理學(xué)從低溫實(shí)驗(yàn)室推向?qū)嶋H應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。

該研究發(fā)表在《自然·材料》期刊上。

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