北航/复旦/清华/物理所共同合作发表重磅NSR：兼具旋转和平移秉性的NiS纳米棒

导读

晶体对称性是材料科学中的一个基本概念，在决定结构-性能关系方面起着至关重要的作用。通常情况下，晶体是组成物质的结构基元在三维空间周期性重复排列构成的固体，因此它是一种同时具有平移对称性和旋转对称性的结构体系。当体系中特定形式的对称性因自发过程或外部影响而被破坏时，往往会出现新奇的物理现象和化学特性。然而，过去对材料原子构型的设计与调控往往集中在调控几何形态、化学掺杂和局域环境方面，新型对称材料几乎未见报道。

针对这一问题，北京航空航天大学郭林教授、复旦大学车仁超教授、清华大学谷林教授和中国科学院物理研究所郭尔佳研究员组成的研究团队报道了一种具有新奇对称性分布的NiS纳米棒，其原子排列兼具有径向旋转对称性和轴向平移对称性。这是首次在单一纳米结构中实现与方向相关的对称性分离，在已知的三维空间群和点群的传统描述中未见报道，超出了传统晶体学对于材料结构定义。因其独特的晶体结构，该纳米棒在不同方向同时显现出条纹磁畴和涡旋磁畴组合的磁学特性。相关研究发表于《国家科学评论》（National Science Review, NSR），北京航空航天大学康建新、胡奇、黄忠宁，复旦大学张瑞轩，以及清华大学高昂为论文共同第一作者。

图1. NiS纳米棒的形貌及原子结构。(a) 直径约为2.7纳米的NiS纳米棒的TEM图像。(b) NiS纳米棒径向的ADF-STEM图像和 (c) 相应的FFT图案。(d) NiS纳米棒轴向的ADF-STEM图像和 (e) 对应的 FFT 图案。(f-g）直径约为 6 纳米的较粗的NiS纳米棒径向的ADF-STEM图像。(h-i）较粗的NiS纳米棒轴向的ADF-STEM 图像。(g)和 (i)中的蓝色和黄色球体分别代表 Ni和 S 原子。

通过精细结构表征发现，NiS纳米棒的横截剖面清晰地显示出规则的五圈原子环，而不是传统的周期性晶格。在径向上，NiS纳米棒具有旋转对称性，但不具有平移对称性。相反，从侧面观察，NiS 纳米棒呈现出规则的平移周期性，但其仅有的水平条纹和混乱的原子级结构表明原子在径向的投影周期性是无序的，径向对称性被破坏。实验结果表明，当纳米棒生长到一定直径时，NiS纳米棒才具有传统晶体类似的旋转对称性和平移对称性。

NiS 纳米棒的条纹畴-涡旋畴耦合磁特性。NiS 纳米棒分别沿轴向（a 和 c）和径向（b 和 d）的TEM电子全息图和重建的磁畴分布。在轴向（e）和径向（f）的模拟磁矩分布。(g-h) 体相NiS和重构 (100) 方向表面上的NiS电子结构。(i-j) 分别沿径向和轴向显示的三层结构 NiS 纳米棒的非共轭磁性计算结果。

更进一步，研究团队通过洛伦兹电镜测量了NiS纳米棒在纳米尺度的磁性分布。结果表明，NiS纳米棒具有轴向反平行的条纹磁畴和径向涡旋畴，说明电子自旋排列遵循原子的固有排列。沿长轴方向，长程有序的原子排列产生了同方向的自旋和排列磁矩，同时形成了畴壁。在径向方向上，原子的圆形排列限制了自旋的取向一致性，磁矩因此被排列成一个闭合回路。因此，在 NiS 纳米棒中观察到的对称分离展示了多种磁序的整合，这是以前在传统晶体、准晶体和非晶体材料中未观察到的现象。

这种由特殊晶体对称性诱导产生的本征磁构型对于发现新的磁耦合关系和促进高密度非易失性磁记录介质的提供了新材料和新设计思路。