困扰科学界数十年的谜题破解：准晶体中首次发现反铁磁体

在材料科学领域，有一个困扰科学家们数十年的谜题，如今终于被解开了！一个研究团队首次在准晶体中发现了反铁磁体，这一突破为相关领域的研究开辟了全新的方向。

准晶体是一种特殊的固体材料，它的原子结构很独特。和普通晶体不同，普通晶体的原子排列是有规律、周期性重复的，而准晶体虽然原子排列也有秩序，但却不具备周期性，这种特性被称为准周期性。正是因为这种特殊结构，准晶体拥有一些传统晶体学里不存在的对称现象。自从准晶体被发现并获得诺贝尔奖后，它在凝聚态物理学领域就备受关注，其独特的磁性和在自旋电子学、磁制冷等领域的应用潜力，吸引了众多科学家的目光。

此前，在由金、镓和稀土元素组成的二十面体准晶体（iQCs）家族中，科学家发现了铁磁性，这虽然是个重要发现，但因为铁磁序的产生并不依赖平移周期性，所以还算在意料之中。然而，反铁磁性作为另一种主要的磁序形式，对晶体的底层对称性要求极高，在准周期系统中极难实现，一直以来都没有直接的实验证据。尽管理论模型早就预测某些准晶体中可能存在反铁磁性，但此前研究的大多数磁性二十面体准晶体都呈现出类似自旋玻璃的行为，也就是磁性状态无序、冻结，没有长程有序性，这也让人们一直争论准周期性和反铁磁序是否根本不相容。

现在，由东京理科大学材料科学与技术系的田村隆司领导的研究团队取得了重大突破，他们在一种真正的准晶体中发现了反铁磁性。研究成果于 2025 年 4 月 11 日发表在《自然・物理学》杂志上。田村隆司表示：“就像 1949 年首次在周期晶体中发现反铁磁性一样，我们这次提供了在二十面体准晶体中存在反铁磁性的首个实验证据。”

研究人员在发现金 - 镓 - 稀土元素二十面体准晶体存在铁磁性的基础上，又发现了一种新型的蔡氏型金 - 铟 - 铕（Au-In-Eu）二十面体准晶体，它具有五重、三重和二重旋转对称性。通过一系列的体性质测量和中子实验，研究人员对其磁性进行了深入研究。磁性磁化率测量显示，在零场冷却和场冷却条件下，温度为 6.5 开尔文（K）时出现尖锐的尖峰，这与反铁磁转变的特征相符；比热测量也在相同温度出现峰值，进一步证实了这种尖峰是由长程磁序引起的。

为了进一步验证结果，研究团队还在 10K 和 3K 的温度下对该准晶体进行了中子衍射测量。在 3K 时，他们观察到了额外的磁性布拉格峰，这些峰在衍射图案中表现为尖锐的强度峰，表明存在有序的磁结构，而且在温度依赖测量中，这些峰在 6.5K 的转变温度附近突然增加，这是在真正的准晶体中存在长程反铁磁序的首个明确证据。

研究人员还发现，这种金 - 铟 - 铕二十面体准晶体出现反铁磁相的原因，和之前研究的二十面体准晶体不同。之前的准晶体通常具有负的居里 - 外斯温度，而这种新型准晶体的居里 - 外斯温度为正。有趣的是，通过元素替换稍微增加每个原子的电子比，反铁磁相就会消失，准晶体表现出类似自旋玻璃的行为，和之前研究的准晶体一样。这表明居里 - 外斯温度为正的二十面体准晶体更有利于建立反铁磁序，为未来通过控制每个原子的电子比来开发新型反铁磁准晶体提供了新的思路。

田村隆司补充说：“这一发现终于解决了真正的准晶体中是否可能存在反铁磁序这个长期存在的问题。反铁磁准晶体可能实现前所未有的功能，比如超软磁响应，未来还将在自旋电子学和磁制冷领域引发一场革命。” 这一发现不仅解开了困扰科学界数十年的谜题，还符合联合国的可持续发展目标，有望助力构建节能电子产品，开启准周期反铁磁体这一全新的研究领域，其影响远远超出了自旋电子学范畴。

参考资料：DOI： 10.1038/s41567-025-02858-0