二维磁性理论首次在真实材料中完整实现

德克萨斯大学奥斯汀分校的物理学家通过实验首次在真实材料中完整实现了1970年代提出的二维磁性理论模型所预测的全套奇异磁性相变序列。这项研究结果已发表在《自然·材料》期刊上。eurekalert

由德克萨斯大学奥斯汀分校物理学助理教授Edoardo Baldini领导的团队使用原子级薄层的三硫化磷化镍(NiPS₃)进行研究。他们将材料冷却至约−150至−130°C之间，NiPS₃进入了Berezinskii–Kosterlitz–Thouless(BKT)相。在该相中，原子磁矩形成旋转的涡旋对——一个顺时针旋转，另一个逆时针旋转——它们紧密结合在一起。BKT相变以Vadim Berezinskii和诺贝尔奖获得者J. Michael Kosterlitz、David Thouless的名字命名，他们因对该现象的理论描述共同获得了2016年诺贝尔物理学奖。eurekalert

进一步冷却后，材料进入第二个相，称为六态时钟有序相，磁矩会突然转向六个对称相关取向中的一个。虽然这两种相变此前在实验中曾被分别观测到，但德克萨斯大学奥斯汀分校的研究工作首次在单一材料中展示了完整的序列，从而完整地实现了二维六态时钟模型。

Baldini表示：“BKT相特别引人注目，因为这些涡旋被预测具有异常的稳定性，在横向上仅限于几纳米范围内，而厚度上仅占据单个原子层。由于其稳定性和极小的尺寸，这些涡旋为在纳米尺度上控制磁性提供了一条新途径，并为理解二维系统中的普适拓扑物理提供了深刻见解。”eurekalert

研究人员表示，这些发现最终可能会启发超紧凑型磁性技术的发展。未来的工作将致力于在逐步提高的温度下稳定类似的磁性相，最终目标是实现室温条件下的应用。eurekalert

该研究的共同第一作者是Frank Y. Gao和Dong Seob Kim。麻省理工学院、台湾中央研究院和犹他大学的研究人员也参与了这项研究。该团队认为，除了NiPS₃之外，广泛的二维磁性材料可能蕴藏着此前未被探索的相态，为基础物理学和纳米器件设计开辟了新的方向。