普通的金屬回形針會粘在磁鐵上。科學家將這種含鐵材料歸類為鐵磁體。一個多世紀前，物理學家阿爾伯特-愛因斯坦和旺德-德-哈斯報告了鐵磁體的一個驚人效果。他們發現，將鐵筒懸掛在導線上並置於磁場中，如果磁場方向相反，鐵筒就會開始旋轉。

自旋亂序移動的原子地毯。層狀三硫化鐵磷中原子層的剪切是由暴露在光脈衝下的電子自旋擾亂引起的。左側為有序自旋；右側為混亂自旋。圖片來源：阿貢國家實驗室提供

“愛因斯坦和德哈斯的實驗幾乎就像一場魔術表演，”美國能源部（DOE）阿貢國家實驗室材料科學部和X 射線科學部物理學家Haidan Wen說。

“你可以在不接觸圓柱體的情況下使其旋轉。在這項實驗中，利用電子自旋這一微觀特性，在圓柱體這一宏觀物體中引發了機械反應”，加州大學伯克利分校米勒研究員Alfred Zong表示。

在科學雜誌《自然》（Nature）上，來自阿貢和其他美國國家實驗室及大學的研究團隊報告了”反”鐵磁體的類似但不同的效應。這可能會在需要超精確和超快速運動控制的設備中得到重要應用。其中一個例子是生物醫學應用中的高速納米電機，例如用於微創診斷和手術的納米機器人。

電子自旋及其作用

鐵磁體和反鐵磁體之間的區別與一種稱為電子自旋的特性有關。這種自旋有一個方向。科學家們用箭頭表示方向，箭頭可以向上或向下，也可以指向兩者之間的任何方向。在上文提到的磁化鐵磁體中，與鐵原子中所有電子相關的箭頭可以指向同一個方向，比如向上。反轉磁場會逆轉電子自旋的方向。因此，所有箭頭都指向下方。這種反轉導致了圓柱體的旋轉。

加利福尼亞大學伯克利分校的米勒研究員阿爾Alfred Zong說：”在這個實驗中，利用電子自旋這一微觀特性，在圓柱體這一宏觀物體中引發了機械反應。”

反鐵磁體實驗

舉例來說，在反鐵磁體中，電子自旋並不是全部指向上方，而是在相鄰電子之間由上至下交替出現。這些相反的自旋相互抵消，因此反鐵磁體不會像鐵磁體那樣對磁場變化做出反應。

問題是，電子自旋能否在反鐵磁體中引起與愛因斯坦-德-哈斯實驗中圓柱體旋轉不同但原理相似的反應？

為了回答這個問題，研究小組製備了一種反鐵磁體–三硫化鐵磷（FePS3）樣品。樣品由多層FePS3 組成，每層只有幾個原子厚。

華盛頓大學物理與材料科學教授徐曉東說：”與傳統磁體不同，FePS3 的特殊之處在於它是在層狀結構中形成的，層與層之間的相互作用極其微弱。”

實驗結果

Wen 補充說：”我們設計了一組確證實驗，向這種層狀材料發射超快激光脈衝，並用光學、X 射線和電子脈衝測量材料特性的變化。”

研究小組發現，脈衝通過擾亂電子自旋的有序取向，改變了材料的磁性。電子自旋的箭頭不再有序地上下交替，而是無序的。

“電子自旋的這種混亂導致了整個樣品的機械響應。”麻省理工學院（MIT）物理學教授努赫-格迪克（Nuh Gedik）解釋說：”由於層與層之間的相互作用很微弱，樣品的一層能夠相對於相鄰層來回滑動。”

這種運動是超快的，每次振蕩的時間可以達到令人難以置信的10 到100 皮秒。一皮秒僅相當於一萬億分之一秒。如此之快，以至於在一皮秒內，光的傳播速度僅為三分之一毫米。

對樣品進行原子級空間分辨率和皮秒級時間分辨率的測量需要世界一流的科學設施。為此，研究小組依靠尖端的超快探針，利用電子束和X 射線束分析原子結構。

受華盛頓大學光學測量的啟發，最初的研究採用了SLAC 國家加速器實驗室的兆電子伏特超快電子衍射設施。進一步的研究是在麻省理工學院的超快電子衍射裝置上進行的。納米材料中心（CNM）的超快電子顯微鏡設備以及先進光子源（APS）的11-BM 和7-ID 光束線對這些研究結果進行了補充。CNM 和APS 都是阿貢國家實驗室的能源部科學辦公室用戶設施。

發現的意義

層狀反鐵磁體中的電子自旋在比皮秒更長的時間內也會產生影響。在早些時候利用阿貢國家實驗室和中國核物理中心設施進行的一項研究中，研究小組成員觀察到，在電子自旋從無序行為向有序行為過渡附近，層的波動運動急劇減慢。

Zong說：”我們目前研究的關鍵發現是找到了電子自旋與原子運動之間的聯繫，這種聯繫對於這種反鐵磁體的層狀結構來說是特殊的。由於這種聯繫表現在如此短的時間和微小的長度尺度上，我們設想通過改變磁場或施加微小應變來控制這種運動的能力將對納米級設備產生重要影響。”