原子薄层材料证实物理学家数十年前预测的奇异二维磁相

原子薄层的NiPS3展现了20世纪70年代二维理论预测的完整磁性相序列。

德克萨斯大学奥斯汀分校的物理学家通过实验证实了一个已有数十年历史的理论，该理论描述了磁性在超薄材料中的表现行为。

通过冷却三硫化磷镍（NiPS3）的原子薄晶体，研究团队观测到了20世纪70年代预测的一整套奇异磁相，但此前从未在单一系统中完整展示过。

这项突破的核心在于，当材料被冷却到极低温度时，会经历两种不同的磁性转变。

虽然过去在实验中已分别观测到每一种转变，但研究人员此前从未能连续捕获这两种转变，从而完整地验证这一理论图景。

实验在仅一个原子厚的NiPS3薄片上进行。当温度降至-150°C至-130°C之间时，材料进入一种被称为"别列津斯基-科斯特利茨-索利斯相"（BKT相）的稀有状态。

在这种状态下，原子磁矩会排列成旋转的涡旋图案。

这些涡旋成对形成，旋转方向相反，一个顺时针，另一个逆时针。成对的结构紧密结合在一起，形成一种被限制在单个原子层内的独特拓扑状态。

纳米尺度的旋涡

"BKT相特别引人入胜，因为预测这些涡旋非常稳固，横向范围仅局限在几纳米内，厚度却只占据单个原子层，"研究负责人、UT物理学助理教授Edoardo Baldini说道。"由于其稳定性和极小的尺寸，这些涡旋为在纳米尺度控制磁性提供了新途径，并为二维系统中的普遍拓扑物理学提供了见解。"
BKT相以理论家Vadim Berezinskii以及诺贝尔奖得主J. Michael Kosterlitz和David Thouless的名字命名，他们在数十年前描述了这种类型的相变。他们的工作赢得了2016年诺贝尔物理学奖。
随着研究团队进一步冷却材料，它进入了第二种磁性状态，即所谓的"六态时钟有序相"。在这种状态下，磁矩不再自由旋转，而是锁定在六个对称相关的方向之一。

理论终获证实

"在此阶段，我们的工作展示了二维六态时钟模型所预期的完整相序列，并确立了纳米尺度磁涡旋在纯二维磁体中自然出现的条件，"Baldini说。

六态时钟模型长期以来一直是理论凝聚态物理学的基石框架。

该理论于20世纪70年代提出，预测了二维系统中特定的磁性转变序列。直到现在，还没有实验能在真实材料中捕获这一完整过程。

这一发现表明，其他二维磁性材料可能也存在着类似的隐藏相。

研究人员认为，操控此类纳米尺度涡旋的能力最终可能支持开发超紧凑器件，有望将磁性存储器或逻辑元件缩小至前所未有的尺度。

未来的工作将集中于在更高温度（甚至可能接近室温）下稳定这些奇异相。如果实现，这将把该物理学从低温实验室推向实际应用技术领域。

该研究发表在《自然·材料》期刊上。

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