在工程材料中發現了一種新型磁性

在原子級厚度的半導體中，一種在任何自然物質中都未曾見過的機制會導致電子自旋對齊。

你接觸過的所有磁鐵，比如粘貼在冰箱門上的冰箱貼，帶有磁性的原因都是相同的。但如果存在另一種更為奇異的方法來使材料帶有磁性，那又將如何呢？

在1966年，日本物理學家長岡洋介（Yosuke Nagaoka）設想了一種磁性，這種磁性由假想材料內部電子看似不自然的舞蹈產生。如今，一個物理學家團隊在一種僅有六個原子厚的工程材料中觀察到了一種長岡預測的磁性現象。

這項發現最近發表在《自然》雜志上，它標志著五十年來搜尋長岡鐵磁性的最新進展。與傳統磁鐵不同，這種材料通過最小化其內部電子的動能而磁化。“這就是我從事這類研究的原因：我能學到我們以前不知道的東西，看到我們之前未曾見過的事物。”該研究論文的共同作者利維奧 · 西奧西亞羅（LivioCiorciaro）說道。他在蘇黎世聯邦理工學院量子電子研究所讀博期間完成了這項工作。

早在2020年，研究人員就在一個僅包含三個電子的微小系統中創造了長岡鐵磁性，那是可能發生該現象的最小系統之一。在這項新研究中，西奧西亞羅和同事則在一個延展系統中實現了同樣的結果，該系統是一種被稱為莫爾晶格的特定結構，由兩片納米薄板組成。

這項研究“是對這些莫爾晶格的一項非常酷的應用，思路相對新穎”。2020 年那項研究的共同作者胡安 · 巴勃羅 · 德霍蘭（Juan Pablo Dehollain，他在代爾夫特理工大學完成了那項工作）說道：“它以一種不同的方式審視了這種鐵磁性。”

當你的平行自旋產生了磁場

傳統鐵磁性的產生原因是電子彼此之間并不相互喜歡，因此它們不想相遇。

想象兩個電子彼此相鄰。它們會因為都帶有負電荷而相互排斥。它們的最低能態會使它們彼此遠離。而系統通常會處于它們的最低能態。

根據量子力學，電子還有一些其他關鍵的特性。首先，它們表現得不像單個粒子，而更像概率云。其次，它們具有一種被稱為自旋的量子特性，這有點類似內部磁鐵，可以指向上或指向下。最后，兩個電子不能處于同一量子態。

因此，具有相同自旋的電子確實會想要彼此遠離——如果它們處于相同位置、具有相同自旋，它們之間就會存在占據相同量子態的風險。具有平行自旋的重疊電子的間距會比其他情況下要稍遠一些。

當存在外部磁場時，這種現象可能強大到足以誘使電子自旋像小條形磁鐵一樣排列起來，從而在材料內部創造一個宏觀磁場。在鐵等金屬中，這些被稱為交換相互作用的電子相互作用非常強大，只要金屬不被過度加熱，感應磁化就會是永久性的。

“我們日常生活中之所以存在磁性，是因為電子交換相互作用很強。”研究論文的共同作者、同樣來自量子電子研究所的物理學家阿塔克 · 伊瑪莫格魯（Ata?Imamo?lu）說。

阿塔克·伊瑪莫格魯和他的同事猜測他們新合成的材料可能會表現出一些奇怪的磁屬性，但他們并不確切地知道會發現什么

然而，正如長岡在20世紀60年代猜想的那樣，交換相互作用可能不是使材料磁化的唯一方式。長岡構思了一種正方形二維晶格，晶格上的每個格點處均只有一個電子。然后他計算出了在某些特定條件下移除其中一個電子后會發生什么。當晶格中剩余的電子發生相互作用時，缺失電子的孔洞會在晶格上四處移動。

在長岡設想的場景中，當電子自旋全部對齊時，晶格的整體能量將處于最低。每個電子配置看起來都一樣，就好像電子是世界上最無聊的滑動拼圖游戲中相同的棋子一樣。反過來，這些平行自旋又會使材料表現出鐵磁性。

當兩個帶有扭轉的網格形成圖樣時

伊瑪莫格魯和他的同事有一個預感，他們可以利用單層原子片進行實驗，通過將這些原子片堆疊在一起形成復雜的莫爾圖樣來制造長岡鐵磁性。在原子級的薄層材料中，莫爾圖樣可以從根本上改變電子乃至材料的行為。例如，在2018年，物理學家帕布羅 · 賈里洛-赫雷羅（Pablo Jarillo-Herrero）和他的同事證實，當用扭轉使兩層石墨烯發生偏移時，雙層堆疊的石墨烯獲得了超導能力。

自此，莫爾材料與超冷原子云和銅氧化物等復雜材料并列，成為一種引人注目的、研究磁性的新系統。“莫爾材料為我們提供了一個基礎實驗場，用于合成和研究電子的多體狀態。”伊瑪莫格魯說。

研究人員從合成由二硒化鉬和二硫化鎢組成的單層半導體制成的材料開始，過去的模擬研究表明這類材料可能會表現出長岡鐵磁性。然后，他們向莫爾材料施加不同強度的弱磁場，同時記錄材料中的電子自旋有多少與磁場對齊。

隨后，研究人員對材料施加了不同的電壓以改變莫爾晶格中電子的數量，并重復了這些測量過程。他們發現了一些奇怪的現象。僅當該材料的電子數比晶格格點數多一半時，該材料才傾向于與外部磁場對齊，即表現出更強的鐵磁性。而當晶格中的電子數少于格點數時，研究人員沒有觀察到鐵磁性存在的跡象。這與他們預期會看到的標準長岡鐵磁性起作用的情況相反。

然而材料確實正在磁化，交換相互作用似乎不是驅動因素，但最簡單的長岡理論也無法完全解釋其磁屬性。

當材料被磁化而你多少有點意外時

最終，這被歸結為運動。電子通過在空間中擴散來降低它們的動能，這可能導致描述一個電子量子態的波函數與相鄰電子的波函數重疊，從而將它們的命運綁定在一起。在該團隊使用的材料中，一旦莫爾晶格中的電子數多于晶格格點數，而多余的電子像百老匯舞臺上的霧氣一樣變得離域化時，材料的能量就會降低。然后，它們與晶格中的電子快速配對，形成被稱為雙電子體的雙電子組合。

除非周圍晶格格點處的電子都具有對齊的自旋，否則這些流動的額外電子以及它們不斷形成的雙電子體無法在晶格內離域化和擴散。隨著材料不斷追求其最低能態，最終結果是雙電子體傾向于產生小的局部鐵磁場。在達到一定閾值前，穿過晶格的雙電子體越多，材料的鐵磁性就越明顯。

重要的是，長岡預測，當晶格中的電子數少于格點數時，這種效應也會起作用，而研究人員并沒有看到這一現象。但根據該團隊的理論工作——在實驗結果發布之前于2023年6月份發表在《物理評論研究》上——這種差異可歸因為他們使用的三角形晶格與長岡計算中使用的正方形晶格之間的幾何特性不同。

那就是莫爾材料

除非你在宇宙中最冷的地方做飯，否則你無法在短時間內把動能磁鐵貼在你的冰箱上。研究人員是在寒冷的140毫開爾文（接近-273℃）溫度下評估莫爾材料的鐵磁行為的。

對于伊瑪莫格魯來說，這種物質仍然揭示了探測固體中電子行為的新興途徑，以及長岡只能夢想的應用。他與理論物理學家尤金 · 德姆勒（Eugene Demler）和伊萬 · 莫雷拉 · 納瓦羅（Ivan Morera Navarro）合作，想要去探索是否可以利用類似在莫爾材料內發揮作用的動能機制來操縱帶電粒子進行配對，這可能催生一種潛在的新超導機制。

“我并不是說這是可能的，”他說，“那是我想去探索的地方。”

資料來源 Quanta Magazine

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本文作者邁克爾·格列什科（Michael Greshko）是一位科學記者，曾為《美國國家地理》等知名期刊撰稿