擾動磁鐵中的電子自旋通常會導致被稱為”自旋波”的激發，這些激發就像被小石子擊中的池塘上的波浪一樣在磁鐵中蕩漾。在一項新的研究中，萊斯大學的物理學家和他們的合作者發現了被稱為”自旋激子”的截然不同的激發，它們也可以作為相干波在鎳基磁體中”蕩漾”。

在《自然-通訊》雜誌上發表的一項研究中，研究人員報告說在鉬酸鎳這種層狀磁性晶體中發現了不尋常的特性。被稱為電子的亞原子粒子類似於微小的磁鐵，而且它們通常像羅盤針一樣在磁場中定位。在實驗中，中子從晶體內的磁性鎳離子中散射出來，研究人員發現，每個鎳離子的兩個最外層電子表現得不同。這兩個電子不是像羅盤針一樣排列它們的自旋，而是在物理學家稱之為自旋單子的現像中相互抵消。

該研究的通訊作者、萊斯大學的戴鵬程說：”這樣的物質根本就不應該是磁鐵。而且，如果一個中子從一個特定的鎳離子上散射下來，激發應該保持在局部，而不是在樣品中傳播。”

戴鵬程是萊斯大學物理學和天文學教授。

因此，當中子散射實驗中的儀器檢測到不是一個，而是兩個系列的傳播波時，戴鵬程和他的合作者感到驚訝，每個波的能量都有很大的不同。

為了了解這些波的起源，有必要深入研究磁性晶體的原子細節。例如，來自晶體中原子的電磁力可以與磁場競爭，並影響鄰近原子內的電子。這被稱為晶體場效應，它可以迫使電子自旋沿著與磁場方向不同的方向定向。探測鉬酸鎳晶體的晶場效應需要額外的實驗和對實驗數據的理論解釋。

萊斯大學的合作者Emilia Morosan說：”實驗小組和理論之間的合作對於描繪一幅完整的畫面和理解在這種化合物中觀察到的不尋常的自旋激發是最重要的。”

莫羅桑的研究小組利用比熱測量探測了晶體對溫度變化的熱反應。從這些實驗中，研究人員得出結論，在層狀鉬酸鎳中出現了兩種晶體場環境，而且這兩種環境對鎳離子的影響非常不同。

研究報告的共同作者、幫助解釋實驗數據的萊斯大學理論物理學家Andriy Nevidomskyy說：”在一種情況下，場效應相當弱，對應的熱能約為10開爾文。在幾開爾文的溫度下，看到中子可以激發鎳原子的磁自旋波，這也許並不令人驚訝，因為鎳原子受到這種第一類晶體場的影響。但最令人費解的是看到它們來自受第二種類型影響的鎳原子。那些原子周圍有四面體排列的氧原子，電場效應幾乎強了20倍，這意味著激發的產生要難得多。”

Nevidomskyy說：”這可以理解為如果相應的鎳離子上的自旋具有不同的”質量”。這個比喻是指重的籃球與網球混在一起，為了激發第二種類型的自旋，即較重的籃球，我們必須通過向材料照射更多的高能中子來施加更強的’踢’。”

由此產生的對鎳自旋的影響被稱為自旋激子，人們通常會期望激子產生的”踢”的效果被限制在一個單一的原子中。但是實驗的測量結果表明，”籃球”在一致地運動，創造了一種意想不到的波。更令人驚訝的是，這些波似乎在相對較高的溫度下仍然存在，在那裡晶體不再表現為磁鐵。

內維多姆斯基和來自加利福尼亞大學聖巴巴拉分校的理論家合著者萊昂-巴倫茨提供的解釋是： 較重的自旋激子–比喻中的籃球–隨著周圍較輕的磁性激子–比喻中的網球–的波動而晃動，如果這兩類球之間的相互作用足夠強，較重的自旋激子參與到類似於波的連貫運動中。

“特別有趣的是，”戴說，”兩種鎳原子各自形成一個三角形晶格，因此這個晶格內的磁相互作用是受挫的。”

在三角形晶格的磁性中，挫折指的是使所有的磁矩相對於它們的三個近鄰反平行（上下）對齊的困難。

了解磁挫折在三角形晶格中的作用是戴和Nevidomskyy兩人多年來一直致力於解決的長期挑戰之一。Nevidomskyy說：”找到一個謎題，與自己的預期相反，然後感到一種了解其起源的滿足感，這是非常令人興奮的。”