當材料一層一層地變薄直到只有一個原子厚時，它們會表現出令人驚訝的行為。在發表於的一項新研究中 天然材質由德州大學奧斯汀分校研究人員領導的物理學家在超薄材料中觀察到了不尋常的磁態序列。他們的實驗證實了 20 世紀 70 年代首次提出的二維磁場長期理論模型。研究小組表示，這項發現可能有助於激發依賴在非常小尺度上控制磁場的極其緊湊的技術。
新觀察到的序列涉及當某些材料冷卻到絕對零度時發生的磁性行為的兩個重要變化。儘管科學家先前曾單獨檢測到每個變化，但這項研究是首次觀察到在單一系統中發生的所有序列。
超薄晶體中的磁渦流
為了確定這些影響，研究人員將一片原子薄的三硫化鎳磷 (NiPS3) 冷卻到 -150 至 -130 攝氏度之間的溫度。在此期間，材料進入一種稱為相的特殊磁性狀態。別熱津斯基-科斯特利茨-索利斯 (BKT)
在這個階段，每個原子的磁方向稱為磁矩。它們被組織成稱為渦旋的旋轉結構。這些漩渦形成對，以相反方向旋轉。一股水流順時針旋轉，另一種水流逆時針旋轉。每對都保持緊密連接。
BKT 術語以物理學家 Vadim Berezinskii 以及諾貝爾獎得主 J. Michael Kosterlitz 和 David Thouless 命名，他們因解釋此類相變的理論工作而獲得 2016 年諾貝爾物理學獎。
「BKT 距離特別有趣，」德州大學物理學助理教授、該研究的主要作者 Edoardo Baldini 說。這是因為這些漩渦預計會異常強烈，並且橫向範圍僅限於幾奈米。同時，它只有一個原子層厚。 」「由於其穩定性和極小的尺寸，這些渦流因此為在奈米尺度上控制磁場提供了一條新途徑。並為二維系統中的通用拓樸物理提供見解。 」
從磁渦流到有序相
當溫度再次下降時，材料轉變為第二個磁性狀態，稱為六態時脈序列相。在此配置中，磁矩排列在彼此對稱相關的六個可能方向之一上。
對 BKT 相和低溫有序相的觀察證實了二維六態時鐘模型的實驗實現。這個理論架構於 20 世紀 70 年代推出，可預測實驗中發現的精確磁相序。
「現階段我們的工作展示了二維六態時鐘模型所需的完整相序，並創造了奈米磁渦旋在純二維磁體中自然發生的條件，」巴爾迪尼說。
邁向未來奈米磁性技術
研究人員現在計劃探索在越來越高的溫度下穩定類似磁相的方法。原則上他們希望找到能夠在接近室溫時保持這些效應的材料。首次演示是此類努力的重要起點。
研究結果還表明，其他更多的二維磁性材料可能具有以前未知的磁性相。這種可能性可能會帶來新的發現。基礎物理學以及奈米級電子設備的未來概念。
研究團隊及經費
該計畫透過 UT 材料動力學與控制中心、NSF 材料科學與工程研究中心獲得了美國國家科學基金會 (NSF) 的初步支持。巴爾迪尼的小組也獲得了洛夫·蒂託的資助；羅伯特·韋爾奇基金會； W.M.凱克基金會；NSF 通過職業獎；美國空軍科學研究辦公室青年研究員計劃獎；和美國陸軍研究辦公室
研究的三位資深作者巴爾迪尼（Baldini）、艾倫·麥克唐納（Allan MacDonald）和李曉琴（Xiaoqin“Elaine”Li）是德克薩斯大學的物理學家，也是德克薩斯量子研究所的成員，李是該研究所的聯合主任。研究的共同第一作者是德州大學物理學博士後研究員、威斯康辛大學麥迪遜分校化學助理教授 Frank Y. Gau 和前德州大學物理學研究生、現哥倫比亞大學博士後研究員 Dong Seob Kim。其他貢獻者包括麻省理工學院、中央研究院和猶他大學。
